Тиристор управление. Управление тиристорами: принципы работы и схемы

Как работают тиристоры и какие существуют способы управления ими. Какие бывают типы схем управления тиристорами. Каковы основные принципы построения фазосдвигающих устройств для тиристоров.

Принцип работы тиристора и способы управления

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами — анодом, катодом и управляющим электродом. Основное его свойство заключается в том, что он может находиться в двух устойчивых состояниях:

• Закрытом (высокое сопротивление)
• Открытом (низкое сопротивление)

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей управляющего сигнала на управляющий электрод. После открытия тиристор остается в проводящем состоянии даже при снятии управляющего сигнала.

Для закрытия тиристора необходимо уменьшить протекающий через него ток до определенного значения, называемого током удержания.

Простейшие схемы управления тиристорами

Существует несколько базовых схем для управления тиристорами:

1. Управление с помощью части анодного тока
2. Схема с RC-цепочкой
3. Схемы с насыщающимися дросселями
4. Схема с динистором

Рассмотрим подробнее принцип работы некоторых из них.

Управление частью анодного тока

В этой простейшей схеме часть тока, протекающего через тиристор, ответвляется через резистор в цепь управляющего электрода. Угол открытия тиристора регулируется изменением сопротивления этого резистора.

Схема с RC-цепочкой

Здесь используется RC-цепь, которая позволяет получить сдвиг фазы управляющего сигнала в диапазоне 0-180°. Конденсатор заряжается через резистор, и когда напряжение на нем достигает порогового значения, тиристор открывается.

Фазосдвигающие устройства для управления тиристорами

Фазосдвигающее устройство (ФСУ) является ключевым элементом систем управления тиристорами. Оно обеспечивает необходимый сдвиг управляющих импульсов относительно напряжения сети.

Существует два основных принципа построения ФСУ:

• «Горизонтальный» принцип
• «Вертикальный» принцип

«Горизонтальный» принцип управления

При «горизонтальном» принципе входной сигнал (обычно синусоидальное напряжение сети) сдвигается по фазе с помощью фазосдвигающей цепи. Затем из сдвинутого сигнала формируются прямоугольные импульсы управления.

Простейшая схема с горизонтальным управлением содержит трансформатор с разделенной вторичной обмоткой, RC-цепь и выпрямительный мост. Изменяя сопротивление резистора, можно регулировать фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного.

«Вертикальный» принцип управления

«Вертикальный» принцип основан на сравнении постоянного управляющего напряжения с опорным переменным напряжением. Момент равенства этих напряжений определяет точку формирования управляющего импульса.

Типичная схема с вертикальным управлением содержит:

• Источник опорного синусоидального напряжения
• Регулируемый источник постоянного напряжения
• Компаратор для сравнения напряжений
• Формирователь импульсов

Изменяя уровень постоянного напряжения, можно плавно регулировать фазу управляющих импульсов.

Преимущества и недостатки различных схем управления тиристорами

Каждый тип схем управления имеет свои достоинства и ограничения:

Простые схемы управления:

Преимущества:

• Простота реализации
• Низкая стоимость
• Надежность

Недостатки:

• Ограниченный диапазон регулирования
• Зависимость от температуры
• Невысокое быстродействие

Фазосдвигающие устройства:

Преимущества:

• Широкий диапазон регулирования
• Высокая точность
• Возможность автоматизации

Недостатки:

• Более сложная схемотехника
• Выше стоимость
• Требуют настройки

Применение схем управления тиристорами

Схемы управления тиристорами находят широкое применение в различных областях электротехники и электроники:

• Регуляторы мощности в бытовой технике
• Системы управления электроприводами
• Источники бесперебойного питания
• Сварочные аппараты
• Зарядные устройства
• Системы освещения

Выбор конкретной схемы управления зависит от требований к точности, диапазону регулирования, быстродействию и других факторов.

Современные тенденции в управлении тиристорами

В последние годы наблюдаются следующие тенденции в развитии систем управления тиристорами:

• Использование микроконтроллеров для реализации сложных алгоритмов управления
• Применение цифровых сигнальных процессоров для высокоточного фазового управления
• Интеграция систем управления тиристорами в общие системы автоматизации
• Разработка интеллектуальных модулей управления с функциями самодиагностики и защиты

Эти инновации позволяют создавать более эффективные и надежные системы управления тиристорами для различных применений.

Простое управление тиристором » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам.
Случилось это, когда искал возможность плавно регулировать (через тиристор) яркость ламп накаливания. Применения: Цветомузыка, плавно включить/выключить свет в помещении (круто и лампы реже перегорают), мощность на паяльнике, позже появилась мысль использовать в зарядном устройстве для автомобильных АКБ. При простой схеме ведёт себя как довольно сложные с фазоимпульсным управлением тиристором. Позже, уже имея осцилограф, понял как примерно она работает. Естественно, делюсь мнением.
Зависимость яркости лампы от напряжения на входе примерно такая:
Это было то, что мне нужно.

Думаю, что изменением R1 можно пропорционально изменить U упр, при котором достигается максимальная яркость (уменьшить этот порог меньше 2…3 Вольт не получится, но я и не пробовал). R2 стоит на всякий случай, чтобы уменьшить рассеиваемую на транзисторе мощность (где-то видел и решил что надо). От транзистора требуется выдержать максимальное приложенное к нему напряжение, в моём случае более 300V. От диода тоже, а нужен он в случае, если на аноде тиристора возможно отрицательное напряжение.

Рассмотрим работу этого «открытия». Если управляющее напряжение менее 1V – всё закрыто. Лампа не горит. В других случаях: когда начинается положительный полупериод сети, начинает заряжаться и конденсатор через цепь управления. Потенциал на управляющем электроде тиристора будет повторять потенциал на верхней обкладке конденсатора, но со сдвигом 0.6V вниз. При достижении порога открывания тиристора он и откроется. Напряжение на коллекторе транзистора станет меньше, чем на эмитере, и усиливать ток базы он уже не будет. Ток базы станет равен току эмитера (в 20…50 раз больше, чем был до открывания тиристора). Конденсатор, вследствие этого, начнёт разряжаться, напряжение на нём падать до уровня ниже уровня запуска тиристора и будет таким, пока не закроется тиристор. А закроется он при прохождении напряжения сети через ноль. Затем всё начнётся заново. И чем больше будет управляющее напряжение, тем ближе к началу полупериода откроется тиристор, ярче будет гореть лампа. Вот и всё.

Несколько наблюдений: для ламп до 100 ватт – радиатор под тиристор необязателен, при двух- и при одно-полупериодном применении ничего менять не надо (выпрямитель, конечно, нужен), подойдут тиристоры с током запуска, отличающимся не более чем в два раза в большую или меньшую сторону по сравнению с КУ 202 (КУ201, более современные с током анода 5…25А), для одно-полупериодного применения пойдут и симисторы с током анода 5…30А без других изменений. Я нигде не ставил радиатор транзистору (не грелся), ток управления тиристором должен быть не более 10 mA (не замерял), следовательно транзистор и диод на 100 mA дадут достаточную надёжность.

Мне это кажется таким простым, что даже не знаю, о чём ещё писать.
Постараюсь позже представить Вашему вниманию пару применений данной идеи.
И ещё: дико извиняюсь если всем это давно известно.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

 

Тиристоры. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.

Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока. Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно. И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.

Принцип действия

Работа тиристора по следующей простой схеме.

К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.

Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).

Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.

Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.

Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.

Особенности устройства

Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:

Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике. И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения. На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.

Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.

Основные параметры тиристоров

• Максимально допустимый прямой ток. Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
• Максимально допустимый обратный ток.
• Прямое напряжение. Это падение напряжения при максимальном токе.
• Обратное напряжение. Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
• Напряжение включения. Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Он необходим для включения тиристора.
• Максимально допустимый ток управления.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Динамический параметр

Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.

Виды тиристоров

По способу управления разделяют на:

• Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
• Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.

Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:

• Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
• Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.

Запирание тиристора производится:

• Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
• Подачей напряжения запирания на электрод управления.

По обратной проводимости тиристоры делятся:

• Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
• Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
• С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
• Симистор – пропускает токи в двух направлениях.

Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность. Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.

По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).

Разделение тиристоров по мощности

При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.

Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.

Простая сигнализация на основе тиристора

На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя. На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление. И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.

Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.

Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма. Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации. Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.

Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.

Регулятор мощности на тиристоре

Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.

• Полупроводниковый диод VD.
• Переменный резистор R1.
• Постоянный резистор R2.
• Конденсатор С.
• Тиристор VS.

Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.

Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.

Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.

К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода. Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.

На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.

Тиристор пропускает ток в одном направлении от анода к катоду. Но существуют разновидности, которые пропускают ток в обоих направлениях. Они называются симметричные тиристоры или симисторы. Они используются для управления нагрузкой в цепях переменного тока. Существует большое количество схем регуляторов мощности на их основе.

Похожие темы:

Схемы управления тиристорами. Фазосдвигающее устройство

На рис. 1 показаны простейшие экономичные схемы управления тиристорами. Наиболее простой метод включения тиристора представлен на рис. 1, а, где в качестве необходимого для включения управляющего тока используется часть тока, проходящего через тиристор. В разомкнутом состоянии контакта К тиристор не может открыться, так как на управляющий электрод не подается положительный потенциал. 

При замыкании контакта К в положительный полупериод анодного напряжения через резисторы R1 и R2 и диод Д протекает ток управления. Сила этого тока зависит от мгновенного значения анодного напряжения, которое увеличивается от нуля до максимального значения. Ток управления достигнет необходимого для включения тиристора значения при определенном угле а. Если уменьшить сопротивление реостата R2, угол управления а станет меньше, так как ток управления достигнет необходимого значения при меньшем анодном напряжении. 

При полностью введенном реостате R угол управления а достигнет максимального значения, которое не может превысить 90°, так как максимальное анодное напряжение обеспечивает максимальный ток управления. Приведенная схема может работать на постоянном токе. 

Тиристор может открыться при подаче на анод положительного полюса напряжения. Реостатом R2 устанавливается ток управления необходимой силы. Однако для закрывания тиристора необходимо шунтировать перемычкой или прервать цепь анодного тока.

Схема, приведенная на рис. 1, б, работает аналогично предыдущей через резистор нагрузки Rн ток проходит в оба полупериода питающего напряжения. Для включения тиристоров необходимо замкнуть контакт К. В положительный полупериод ток управления пройдет по цепи через резистор R1, диоды Д2 и Д4; при этом откроется тиристор Т2. Тиристор Т2 закроется при анодном напряжении, равном нулю, когда ток через тиристор упадет до нуля. 

В отрицательный полупериод ток управления пройдет по цепи через резистор R2, диоды ДЗ и Д1 и откроется тиристор Т1. Реостатами R1 и R2 можно изменять действующее значение переменного напряжения на резисторе нагрузки Rн.

Недостатком предыдущих схем управления можно считать узкий диапазон регулирования угла а (от 0 до 90°). Введением в схему регулирования неактивных элементов (емкостей и индуктивностей) можно расширить диапазон изменения угла а. В схеме, представленной на рис. 1, в, комбинация RС цепи и диода позволяет получить угол управления в интервале 0 — 180°. 

Во время положительного полупериода анодного напряжения конденсатор С заряжается; когда напряжение на нем, приложенное между управляющим электродом и катодом тиристора Т, достигнет необходимого значения, тиристор откроется. Временем заряда конденсатора С определяется угол а. Это время можно изменять, меняя сопротивление реостата R2: чем больше сопротивление реостата R2, тем больше угол а и меньше среднее напряжение на резисторе R_н. 

При переходе питающего напряжения через нуль тиристор закрывается. В отрицательный полупериод конденсатор С перезаряжается через диод Д2 до амплитуды отрицательного напряжения. В следующий положительный полупериод происходит перезаряд конденсатора и тиристор открывается.

Рис. 1. Простейшие схемы управления тиристорами

На рис. 1, г, д показаны схемы управления с насыщающимися дросселями, работающими в релейном режиме. В каждый положительный полупериод питающего напряжения по рабочей обмотке дросселя протекает пульсирующий ток. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки зависит от магнитного состояния сердечника дросселя. В отсутствие сигнала на обмотке постоянного тока с указанной полярностью сердечник дросселя насыщается, индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается до нуля и входная цепь тиристора шунтируется. Таким образом, в отсутствие сигнала управления тиристор не может быть открыт. При подаче сигнала на обмотку управления (см. рис. 1, г) дроссель переводится в ненасыщенное состояние, так как обмотки включены встречно.

Переход дросселя из одного состояния в другое происходит практически мгновенно, что объясняется прямой петлей гистерезиса сердечника дросселя. 

В ненасыщенном состоянии индуктивное сопротивление рабочей обмотки увеличивается до максимального значения и ток во время положительного полупериода через резисторы R1 и R2 и диод Д поступает к управляющему электроду тиристора и включает его. Пока есть сигнал на управляющей обмотке, тиристор открывается в каждый положительный полупериод. Конденсат С предотвращает ложное срабатывание тиристора при переходных процессах в цепи переменного тока, шунтируя тиристор в момент всплеска напряжения.

В схеме, приведенной на рис. 1, д, рабочая обмотка дросселя Др включена последовательно в цепь управления тиристора. При наличии сигнала сердечник дросселя насыщен, так как обмотки управления и рабочая обмотка действуют согласно. Заряженный конденсатор С разряжается на входную цепь тиристора, и он открывается. В отрицательный полупериод тиристор закрыт, конденсатор заряжен. В положительный полупериод конденсатор снова заряжается и открывает тиристор. В отсутствие сигнала на обмотке управления сердечник дросселя не насыщен, в положительный полупериод конденсатор заряжается. Резистор R2 ограничивает напряжение входной цепи тиристора до значения, при котором тиристор не может открыться. Схемы на рис. 1, г, д могут использоваться как ключевые без регулирования выпрямленного напряжения.

В схеме управления (рис. 1, е) используется маломощный динистор Д, который включается при определенном напряжении между анодом и катодом. В положительный полупериод конденсатор С заряжается, причем время заряда можно регулировать реостатом R2. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня включения динистора Д, конденсатор разрядится на первичную обмотку трансформатора Т_р, на вторичной обмотке возникает импульс, и тиристор Т откроется. В отрицательный полупериод тиристор закрыт, конденсатор С перезаряжается. В следующий положительный полупериод конденсатор снова перезаряжается и открывает тиристор.

Приведенные простейшие схемы не лишены недостатков, связанных с зависимостью параметров от изменения температуры, небольшой скоростью нарастания тока управления и т. п. Для управления в преобразовательных устройствах применяются более сложные специальные схемы.

Фазосдвигающее устройство (ФСУ)

Это устройство является главным функциональным звеном любой системы управления, так как тиристорные схемы построены по принципу фазового управления. В зависимости от способа получения сдвига управляющих импульсов различают системы управления, построенные по «горизонтальному» и «вертикальному» принципам.

При «горизонтальном» принципе управления сдвиг входного сигнала обычно синусоиды напряжения входной сети для выпрямителей, осуществляется во времени по оси абсцисс (по горизонтали), а затем из сдвинутой синусоиды формируются прямоугольные импульсы. Простейшая схема с горизонтальным управлением показана на рис. 2. Входной сигнал подается на первичную обмотку трансформатора Т_р. 

Это же напряжение является анодным для тиристора. Вторичная обмотка трансформатора разделена на два ппеча. На концах вторичной обмотки ае возникает переменное напряжение, которое представляет собой сумму напряжений между точками аd и dе. Эти напряжения могут быть изображены соответствующими векторами. Вторичное напряжение ае представляет собой геометрическую сумму падений напряжения на емкости С (вектор аb) и на резисторе R (вектор bе). 

Выходное напряжение представлено вектором db. При изменении сопротивления резистора R изменяются активное падение напряжения (вектор bе), ток во вторичной цепи и, следовательно, емкостное падение напряжения. Векторы емкостного аb и активного bе падений напряжения должны оставаться перпендикулярными и их сумма (вектор ае) — неизменной. 

Из векторной диаграммы видно, что при изменении сопротивления резистора R вектор db поворачивается и, следовательно, выходное напряжение Uвых сдвигается по фазе относительно входного напряжения Uвх.

Рис. 2. Сдвиг управляющего сигнала по «горизонтальному» принципу

При «вертикальном» принципе управления постоянное напряжение управления сравнивается с опорным переменным напряжением.

При этом постоянное напряжение управляющего сигнала U_с, которое регулируется с поста управления или автоматически устанавливается при изменении регулируемых параметров (напряжения генератора), сравнивается с эталонным переменным напряжением U_э, имеющим неизменную амплитуду. В момент равенства этих напряжений формируется импульс для открывания тиристора.

На рис. 3, а представлена схема генератора импульсов для управления тиристором возбудителя синхронного генератора в схеме ГЭУ дизель-электрохода. 

Рис. 3. Принципиальная схема генератора импульсов и диаграмма напряжений

Данная ГЭУ имеет единую электростанцию, состоящую из трех дизель-генераторов, от которой питается ГЭД и через трансформаторы — потребители собственных нужд, поэтому назначение тиристорного возбудителя сводится к поддержанию постоянства напряжения на шинах или к его изменению при необходимости.

Управляющее напряжение Uс вырабатывается регулятором напряжения. Эталонное напряжение U_э имеет синусоидальную форму и неизменную амплитуду U_м.

Напряжение сигнала может изменяться в пределах от — U_м до + U_м. Сложение переменного U_э и постоянного U_с напряжений происходит на резисторах R1 и R2, которыми можно регулировать входное напряжение транзистора Т₁. При отсутствии сигнала управления U_с = 0 (напряжение генератора в норме) синусоида эталонного напряжения Uэ изменяется относительно оси t и проходит через нуль при угле а = 90° (рис. 3, б). Если считать, что положительное значение U_э соответствует плюсу на базе транзистора Т₁, то транзистор откроется при переходе кривой Uэ через нуль. 

Пока транзистор Т₁ закрыт, отрицательным потенциалом его коллектора поддерживается открытое состояние транзистора Т2, и конденсатор С разряжен через диоды ДЗ, Д2 и открытый коллекторный переход транзистора Т₂. В момент открывания транзистора Т1 потенциал базы транзистора Т2 становится положительным, и последний закрывается. 

При переходе транзистора Т₂ из открытого состояния в закрытое потенциал его коллектора изменяется с положительного на отрицательный, что приводит к заряду конденсатора С. 

Зарядный ток проходит через диоды Д5 и Д4 и является током базы транзистора Т_з, открывающего последний. В открытом состоянии транзистора ТЗ на резисторе R9 возникает напряжение, которое прикладывается между управляющим электродом и катодом тиристора возбудителя. Время существования импульса на выходе равно времени заряда конденсатора, которое зависит от емкости конденсатора и силы тока заряда. 

Если напряжение на тиристоре U_т сдвинуто относительно эталонного на 90°, как изображено на диаграмме, то передний фронт импульса возникнет при угле а = 90° и тиристор будет открыт в течение половины положительного полупериода, что соответствует номинальному возбуждению генератора. Тиристор будет закрыт весь отрицательный полупериод напряжения U_т и часть положительного. В начале положительного полупериода напряжения U_э транзистор Т₁ закроется, а Т₂ откроется, конденсатор С разрядится и будет готов для нового импульса.

При уменьшении напряжения генератора возникает напряжение (сигнал), приложенное минусом к базе Т₁ (на диаграмме — U_с). При сложении напряжений на входе транзистора Т₁ синусоида напряжения U_э будет изменяться относительно оси и угол открывания тиристора уменьшится до значения а₁, а среднее значение выпрямленного напряжения и возбуждение генератора увеличатся. При увеличении напряжения генератора выше нормы возникает напряжение, приложенное плюсом к базе Т₂ (на диаграмме +U_с). Теперь синусоида U_э будет изменяться относительно оси t₂ и угол включения увеличится до значения а₂. 

Среднее выпрямленное напряжение и возбуждение генератора уменьшатся.

По вертикальному принципу построена схема управления тиристором, приведенная на рис. 4, где используется импульсный трансформатор Т_рИ, работающий совместно с транзистором Т₁ в режиме блокинг-генератора. Входное напряжение транзистора создается суммой постоянного напряжения сигнала и переменного эталонного напряжения U_э с неизменной амплитудой.

Транзистор Т₁ открывается при возникновении на базе отрицательного потенциала, когда кривая U_э переходит через нуль в зону отрицательных значений (см. рис. 3, б), По мере открывания транзистора нарастает ток в цепи коллектора, проходящий через первичную обмотку импульсного трансформатора; при этом в базовой обмотке трансформатора наводится э. д. с., которая прикладывается плюсом к эмиттеру и осуществляет положительную обратную связь, что способствует дальнейшему открыванию транзистора. Ток в первичной обмотке трансформатора нарастает лавинообразно, и в выходной обмотке Т_рИ возникает э.д.с., которая через диод Д2 и резистор R1 создает импульс управления тиристором: тиристор открывается.

Рис. 4. Формирователь импульсов с блокинг-генератором

В насыщенном состоянии транзистора ток коллектора достигает максимального значения и перестает изменяться, импульс исчезает. Э.д.с. в базовой обмотке равна нулю, положительная обратная связь не работает, и ток коллектора начинает уменьшаться. Уменьшение тока коллектора наводит в базовой обмотке э.д.с. другого направления, которая осуществляет отрицательную обратную связь и способствует закрыванию транзистора. Одновременно в выходной обмотке наводится э. д. с. другого направления, которая создает ток в разрядном контуре через диод Д1. 

В коллекторной обмотке импульсного трансформатора спад тока наводит э.д.с. самоиндукции, которая, поддерживая направление тока, препятствует запиранию транзистора, так как прикладывается плюсом к эмиттеру. Эта э.д.с. создает шунтирующую цепь через стабилитрон С_т. После закрывания транзистора, если на базе снова возникнет отрицательный потенциал, процесс повторяется и выдается следующий импульс.

Таким образом, импульсы подаются в течение всего отрицательного полупериода входного напряжения транзистора. Тиристор может быть открыт первым импульсом, и последующие импульсы его открытого состояния не меняют. Сдвиг по фазе момента подачи импульсов зависит от значения и полярности постоянного напряжения сигнала U_с, которое вырабатывается регулятором напряжения генератора или ГЭД.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓

⇒ВНИМАНИЕ⇐

• Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
• Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
• Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
• Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.

⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓

что это, принцип работы, свойства, применение

Чтобы понять как работает схема, необходимо знать действие и назначение каждого из элементов. В этой статье рассмотрим принцип работы тиристора, разные виды и режимы работы, характеристики и виды. Постараемся объяснить все максимально доступно, чтобы было понятно даже для начинающих. 

Содержание статьи

Что такое тиристор, его устройство и обозначение на схеме

Тиристор — полупроводниковый элемент, имеющий только два состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Причем оба состояния устойчивые, то есть переход происходит только при определенных условиях. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно.

Так выглядят тиристоры

По способу действия его можно сравнить с переключателем или ключом. Вот только переключается тиристор при помощи напряжения, а отключается пропаданием тока или снятием нагрузки. Так что принцип работы тиристора понять несложно. Можно представлять его как ключ с электрическим управлением. Так, да не совсем.

Тиристор, как правило, имеет три выхода. Один управляющий и два, через которые протекает ток. Можно попробовать коротко описать принцип работы. При подаче напряжения на управляющий выход, коммутируется цепь через анод-коллектор. То есть, он сравним с транзистором. Только с той разницей, что у транзистора величина пропускаемого тока зависит от поданного на управляющий вывод напряжения. А тиристор либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Внешний вид

Внешний вид тиристора зависит от даты его производства. Элементы времен Советского Союза — металлические, в виде «летающей тарелки» с тремя выводами. Два вывода — катод и управляющий электрод — находятся на «дне» или «крышке» (это с какой стороны смотреть). Причем электрод управления меньше по размерам. Анод может находиться с противоположной стороны от катода, или торчать вбок из-под шайбы, которая есть на корпусе.

Два вида тиристоров — современные и советские, обозначение на схемах

Современные тиристоры выглядят по-другому. Это небольшой пластиковый прямоугольник с металлической пластиной сверху и тремя выводами-ножками снизу. В современном варианте есть одно неудобство: надо смотреть в описании какой из выводов анод, где катод и управляющий электрод. Как правило, первый — анод, затем катод и крайний правый — это электрод. Но это как правило, то есть, не всегда.

Принцип работы

По принципу действия, тиристор можно еще сравнить с диодом. Пропускать ток он будет в одном направлении — от анода к катоду, но происходить это будет только в состоянии «открыто». На схемах тиристор похож на диод. Также имеется анод и катод, но есть еще дополнительный элемент — управляющий электрод. Понятное дело, есть отличия и в выходном напряжении (если сравнивать с диодом).

Принцип работы тиристора в устройствах переменного напряжения: на выходе есть только верхняя часть синусоиды

В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто».

Принцип работы тиристора простыми словами

Рассмотрим принцип работы тиристора. Стартовое состояние элемента — закрыто. «Сигналом» к переходу в состояние «открыто» является появление напряжения между анодом и управляющим выводом. Вернуть тиристор в состояние «закрыто» можно двумя способами:

• снять нагрузку;
• уменьшить ток ниже тока удержания (одна из технических характеристик).

В схемах с переменным напряжением, как правило, сбрасывается тиристор по второму варианту. Переменный ток в бытовой сети имеет синусоидальную форму, когда его значение приближается к нулю и происходит сброс. В схемах, питающихся от источников постоянного тока, надо либо принудительно убирать питание, либо снимать нагрузку.

После снятия отпирающего напряжения, тиристор остается в открытом состоянии (лампочка горит)

То есть, работает тиристор в схемах с постоянным и переменным напряжением по-разному. В схеме постоянного напряжения, после кратковременного появления напряжения между анодом и управляющим выводом, элемент переходит в состояние «открыто». Далее может быть два варианта развития событий:

• Состояние «открыто» держится даже после того, как напряжение анод-выход управления пропало. Такое возможно если напряжение, поданное на анод-управляющий вывод,  выше чем неотпирающее напряжение (эти данные есть в технических характеристиках).  Прекращается прохождение тока через тиристор, фактически только разрывом цепи или выключением источника питания. Причем выключение/обрыв цепи могут быть очень кратковременными. После восстановления цепи, ток не течет до тех пор, пока на анод-управляющий вывод снова не подадут напряжение.
• После снятия напряжения (оно меньше чем отпирающее) тиристор сразу переходит в состояние «закрыто».

Так что в схемах постоянного тока есть два варианта использования тиристора — с удержанием открытого состояния и без. Но чаще применяют по первому типу — когда он остается открытым.

Если говорить о внутреннем устройстве, то это три перехода P-N-P-N

Принцип работы тиристора в схемах переменного напряжения отличается. Там возвращение в запертое состояние происходит «автоматически» — при падении силы тока ниже порога удержания. Если напряжение на анод-катод подавать постоянно, на выходе тиристора получаем импульсы тока, которые идут с определенной частотой. Именно так построены импульсные блоки питания. При помощи тиристора они преобразуют синусоиду в импульсы.

Проверка работоспособности

Проверить тиристор можно либо при помощи мультиметра, либо создав простенькую проверочную схему. Если при прозвонке иметь перед глазами технические характеристики, можно заодно проверить сопротивление переходов.

Один из видов: силовой Т122-25

Прозвонка мультиметром

Для начала разберем прозвонку мультиметром. Переводим прибор в режим прозвонки.

На цифровых мультиметрах есть режим прозвонки, который позволяет проверять полупроводниковые приборы

Далее поочередно прикасаемся щупами к парам выводов:

• При подключении щупов к аноду и катоду, прибор должен показывать обрыв — «1» или «OL» в зависимости от мультиметра. Если отображаются иные показатели хоть в одном направлении, тиристор пробит.
• Между анодом и управляющим электродом (выводом) должно быть небольшое сопротивление в одном из направлений. В противоположном — обрыв. Если в обоих направлениях или обрыв, или небольшое сопротивление — элемент поврежден.

  Проверка тиристора при помощи мультиметра. На левом рисунке на табло отображается «1», т.е. сопротивление между анодом и катодом слишком велико и прибор не может его зафиксировать. На правом рисунке сопротивление небольшое, так как подано прямое напряжение смещения между анодом и управляющим электродом

Обратите внимание, что величина сопротивления у разных серий разная — на это не стоит обращать особого внимания. Если хотите проверить и сопротивление переходов, посмотрите в технических характеристиках.

Схема проверки работоспособности тиристора мультиметром

На рисунке представлены схемы испытаний. Крайний справа рисунок — усовершенствованный вариант с кнопкой, которую устанавливают между анодом и управляющим выводом. Для того чтобы мультиметр зафиксировал протекающий по цепи ток, кратковременно нажимаем на кнопку.

При помощи лампочки и источника постоянного тока (батарейка тоже пойдет)

Если мультиметра нет, можно проверить тиристор при помощи лампочки и источника питания. Подойдет даже обычная батарейка или любой другой источник постоянного напряжения. Вот только напряжение должно быть достаточным для того, чтобы засветить лампочку. Потребуется еще сопротивление или обычный кусок проволоки. Из этих элементов собирается простая схема:

Схема проверки тиристора при помощи лампочки и источника питания

• Плюс от источника питания подаем на анод.
• К катоду подключаем лампочку, второй ее вывод подключаем к минусу источника питания. Лампочка не горит, так как термистор заперт.
• Кратковременно (при помощи куска проволоки или сопротивления) соединяем анод и управляющий вывод.
• Лампочка загорается и продолжает гореть, хотя перемычка убрана. Термистор остается в открытом состоянии.
• Если выкрутить лампочку или выключить источник питания, то лампочка, естественно, погаснет.
• Если восстановить цепь/питание, она не загорится.

Заодно с проверкой, эта схема позволяет понять принцип работы тиристора. Ведь картинка получается очень наглядной и понятной.

Виды тиристоров и их особые свойства

Полупроводниковые технологии все еще разрабатываются и совершенствуются. За несколько десятилетий появились новые разновидности тиристоров, которые имеют некоторые отличия.

• Динисторы или диодные тиристоры. Отличаются тем, что имеют только два вывода. Открываются подачей на анод и катод высокого напряжения в виде импульса. Называют еще «неуправляемые тиристоры».
• Тринисторы или триодные тиристоры. В них есть управляющий электрод, но управляющий импульс может подаваться:
  • На управляющий выход и катод. Название — с управлением катодом.
  • На управляющий электрод и анод. Соответственно — управление анодом.

Тиристоры могут управляться как с анода, так и с катода

Есть также разные виды тиристоров по способу запирания. В одном случае достаточно уменьшения анодного тока ниже уровня тока удержания. В другом случае — подается запирающее напряжение на управляющий электрод.

По проводимости

Мы говорили, что проводят тиристоры ток только в одном направлении. Обратной проводимости нет. Такие элементы называют обратно-непроводящие, но существуют не только такие. Есть и другие варианты:

• Имеют невысокое обратное напряжение, называются обратно-проводящие.
• С ненормируемой обратной проводимостью. Ставят в схемах, где обратное напряжение возникнуть не может.
• Симисторы. Симметричные тиристоры. Проводят ток в обоих направлениях.

Различают в основном, по типу проводимости и способу управления

Тиристоры могут работать в режиме ключа. То есть при поступлении импульса управления подавать ток на нагрузку. Нагрузка, в этом случае, рассчитывается исходя из напряжения в открытом виде. Надо также учитывать наибольшую рассеиваемую мощность. Вот в этом случае лучше выбирать металлические модели в виде «летающей тарелки». К ним удобно приделывать радиатор — для более быстрого охлаждения.

Классификация по особым режимам работы

Еще можно выделить следующие подвиды тиристоров:

• Запираемые и незапираемые. Принцип работы тиристора незапираемого немного другой. Он находится в открытом состоянии когда плюс приложен к аноду, минус — на катоде. Переходит в закрытое состоянии при смене полярности.
• Быстродействующие. Имеют малое время перехода из одного состояния в другое.
• Импульсные. Очень быстро переходит из одного состояние в другое, используется в схемах с импульсными режимами работы.

Основное назначение — включение и выключение мощной нагрузки при помощи маломощных управляющих сигналов

Основная область использования тиристоров — в качестве электронного ключа, служащего для замыкания и размыкания электрической цепи. В общем много привычных устройств построены на тиристорах. Например, гирлянда с бегущими огнями, выпрямители, импульсные источники тока, выпрямители и многие другие.

Характеристики и их значение

Некоторые тиристоры могут коммутировать очень большие токи, в этом случае их называют силовыми тиристорами. Они изготавливаются в металлическом корпусе — для лучшего отвода тепла. Небольшие модели с пластиковым корпусом — это обычно маломощные варианты, которые используют в малоточных схемах. Но, всегда есть исключения. Так что для каждой конкретной цели подбирают требуемый вариант. Подбирают, понятное дело, по параметрам. Вот основные:

• Максимальный прямой ток. Значение тока, который может протекать через анод-катод. У мощных моделей он может достигать сотен Ампер.
• Максимально допустимый обратный ток. Указывается не для всех видов, только у обратно-проводящих.
• Прямое напряжение. Это максимально допустимое падение напряжения в открытом состоянии при прохождении максимального тока.
• Напряжение включения. Минимальный уровень управляющего сигнала, при котором тиристор сработает.

  Пример характеристик

• Удерживающий ток. Если ток, протекающий через анод-катод ниже этого значения, устройство переходит в запертое состояние.
• Минимальный ток управляющего сигнала. При подаче тока ниже этого значения, элемент не откроется.
• Максимальный ток управления. Если превысить этот параметр, p-n переход выйдет из строя.
• Рассеиваемая мощность. Определяет величину подключаемой нагрузки.

Есть еще динамический параметр — время перехода из закрытого в открытое состояние. В некоторых схемах это важно. Может еще указываться тип быстродействия: по времени отпирания или по времени запирания.

Управление тиристором. Тиристоры — это что такое? Принцип работы и характеристики тиристоров

♠ Система управления тиристорами в цепях переменного и пульсирующего тока использует, синхронизированную с сетью, бесконечную серию управляющих импульсов и осуществляет сдвиг фазы фронтов управляющих импульсов относительно перехода напряжения сети через ноль.
Сформированный специальным устройством управляющий импульс подается на переход управляющий электрод – катод тиристора, которым и подключает электрическую сеть в нагрузку.
Разберем работу такой системы на примере регулятора температуры жала электрического паяльника мощностью до 100 ватт и напряжением 220 вольт . Схема этого устройства изображена на рис 1 .

♠ Регулятор температуры электрического паяльника в сети переменного тока 220 вольт, состоит из диодного мостика на КЦ405А , тиристора КУ202Н , стабилитрона, узла формирования импульсов управления.
С помощью мостика переменное напряжение превращается в пульсирующее напряжение (Umax = 310 B) положительной полярности (точка Т1) .

Узел формирования состоит:
— стабилитрон, формирует за каждый полупериод трапецевидное напряжение (точка Т2) ;
— временная зарядно-разрядная цепочка R2, R3, C ;
— аналог динистора Тр1, Тр2 .

С резистора R4 снимается напряжение импульса для запуска тиристора (точка 4) .

На графиках (рис 2) показан процесс формирования напряжений в точках Т1 – Т5 при изменении переменного резистора R2 от нуля до максимума.

Через резистор R1 пульсирующее напряжение сети поступает на стабилитрон КС510 .
На стабилитроне формируется напряжение трапецевидной формы величиной 10 вольт (точка Т2) . Оно определяет начало и конец участка регулирования.

♠ Параметры временной цепочки (R2, R3, C) подобраны так, чтобы за время одного полупериода конденсатор С успел зарядиться полностью.
С началом перехода напряжения сети Uc через ноль, с появлением трапецеидального напряжения, начинает расти напряжение на конденсаторе С . При достижении напряжения на конденсаторе Uк = 10 вольт , пробивается аналог тиристора (Тр1, Тр2) . Конденсатор С через аналог разряжается на резистор R4 и, включенный параллельно ему, переход Уэ – К тиристора (точка Т3) и включает тиристор.
Тиристор КУ202 пропускает основной ток нагрузи по цепи: сеть – КЦ405 – спираль паяльника – анод – катод тиристора – КЦ405 – предохранитель — сеть .
Резисторы R5 — R6 служат для устойчивой работы устройства.

♠ Запуск управляющего узла автоматически синхронизирован с напряжением Uc сети.
Стабилитрон может быть Д814В,Г,Д. или КС510,КС210 на напряжение 9 – 12 вольт.
Переменный резистор R2 – 47 — 56 Ком мощностью не менее 0,5 ватт .
Конденсатор С – 0,15 — 0,22 мкФ , не более.
Резистор R1 – желательно набрать из трех резисторов по 8,2 Ком , двух ваттных, чтобы не сильно нагревались.
Транзисторы Тр1, Тр2 – пары КТ814А, КТ815А; КТ503А, КТ502А и др.

♠ Если регулируемая мощность не превысит 100 ватт , можно использовать тиристор без радиатора. Если мощность нагрузки больше 100 ватт необходим радиатор площадью 10 – 20 см.кв .
♠ В данном импульсно – фазовом методе импульс запуска для тиристора вырабатывается в пределах всего полупериода.
Т.е. происходит регулировка мощности почти от ноля до 100%, при регулировании фазового угла от а=0 до а=180 градусов.
На графиках в точке №5 показаны формы напряжений на нагрузке при выборочных фазовых углах: а = 160, а = 116, а = 85, а = 18 градусов.
При значении а = 160 градусов , тиристор закрыт почти во все время прохождения полупериода сетевого напряжения (мощность в нагрузке очень мала).
При значении а = 18 градусов , тиристор открыт почти во все время действия полупериода (мощность в нагрузке равна почти 100% ).
В графиках в точке №4 во время открытия тиристора, вместе с появлением запускающего импульса, добавляется падение напряжения на открытом тиристоре (Uп на графике в точке №4 ).

Все показанные эпюры напряжений в точках Т1 — Т5 , относительно точки Т6 , можно посмотреть на осциллографе.

Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.

♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц , представлена на рис 1 а) .

За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0 .
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.

Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α , это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.

В момент фазового угла:

• α = 0° напряжения U = 0 ;
• α = 90° напряжение U = +Umax ;
• α=180° напряжение U = 0 ;
• α = 270° напряжение U = — Umax ;
• α = 360° напряжение U = 0.

♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье « »: тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее состояние (закрыт) .
♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении — от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2 .

♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс ) через переход Уэ – К , прошел ток включения Iвкл тиристора.

С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.
Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3) .
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.

♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс ), пока не достигнет величины Iвкл . Тиристор откроется.

фазовым методом .

♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К , от которого тиристор открывается.

Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом .
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.

Фазовый метод управления тиристором.

♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3 ) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.

После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2

♦ Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс , от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения Uс растет и ток управления Iуп (управляющий электрод — катод).

При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл , тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.

Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.

♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс.
Лампочка будет загораться с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.

Проведем небольшие вычисления для примера рис.3 . Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл = 100 мА . В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА .
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1 . Для разных значений резистора R1 , будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:

1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.

Фазовый угол α изменяется в пределах от а = 10, до а = 90 градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.

♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90° .
То есть, в пределах от 90% до 50% мощности выделяемой на нагрузке.

Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1 , ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).

Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С .
Если поставить конденсатор С (в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5 .

Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1 ), весь ток идет на зарядку конденсатора С , напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.

Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.

Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ ). Как проверить тиристор?

На своем блоге я поместил рассылку на бесплатные уроки на тему: .
В этих уроках я, в популярной форме, постарался как можно проще изложить суть работы тиристора: как он устроен, как работает в цепи постоянного и переменного тока. Привел много действующих схем на тиристорах и динисторах.

В этом уроке, по просьбе подписчиков, привожу несколько примеров проверки тиристора на целостность.

Как же проверить тиристор?

Предварительная проверка тиристора проводится с помощью тестера-омметра или цифрового мультиметра .
Переключатель цифрового мультиметра должен стоять в положении проверки диодов.
С помощью омметра или мультиметра, проверяются переходы тиристора: управляющий электрод – катод и переход анод – катод.
Сопротивление перехода тиристора, управляющий электрод – катод, должно быть в пределах 50 – 500 Ом.
В каждом случае величина этого сопротивления должна быть примерно одинакова при прямом и обратном измерении. Чем больше величина этого сопротивления, тем чувствительнее тиристор.
Другими словами, будет меньше величина тока управляющего электрода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое состояние.
У исправного тиристора величина сопротивления перехода анод – катод, при прямом и обратном измерении, должна быть очень большой, то есть имеет «бесконечную» величину.
Положительный результат этой предварительной проверки, еще ни о чем не говорит.
Если тиристор уже стоял где то в схеме, у него может быть «прогорел» переход анод — катод. Эту неисправность тиристора мультиметром не определишь.

Основную проверку тиристора нужно проводить, используя дополнительные источники питания. В этом случае полностью проверяется работа тиристора.
Тиристор перейдет в открытое состояние в том случае, если через переход, катод – управляющий электрод, пройдет кратковременный импульс тока, достаточный для открытия тиристора.

Такой ток можно получить двумя способами:
1. Использовать основной источник питания и резистор R, как на рисунке №1.
2. Использовать дополнительный источник управляющего напряжения, как на рисунке №2.

Рассмотрим схему проверки тиристора на рисунке №1.
Можно изготовить небольшую испытательную плату, на которой разместить провода, индикаторную лампочку и кнопки переключения.

Проведем проверку тиристора при питании схемы постоянным током.

В качестве нагрузочного сопротивления и наглядного индикатора работы тиристора, применим маломощную электрическую лампочку на соответствующее напряжение.
Величина сопротивления резистора R выбирается из расчета, чтобы ток, протекающий через управляющий электрод – катод, был достаточным для включения тиристора.
Ток управления тиристором пройдет по цепи: плюс (+) – замкнутая кнопка Кн1 – замкнутая кнопка Кн2 – резистор R – управляющий электрод – катод – минус (-).
Ток управления тиристора для КУ202 по справочнику равен 0,1 ампера. В реальности, ток включения тиристора, где то 20 – 50 миллиампер и даже меньше. Возьмем 20 миллиампер, или 0,02 ампера.
Основным источником питания может быть любой выпрямитель, аккумулятор или набор батареек.
Напряжение может быть любым, от 5 до 25 вольт.
Определим сопротивление резистора R .
Возьмем для расчета источник питания U = 12 вольт.
R = U: I = 12 В: 0,02 А = 600 Ом.
Где: U – напряжение источника питания; I – ток в цепи управляющего электрода.

Величина резистора R будет равна 600 Ом.
Если напряжение источника будет, например, 24 Вольта, то соответственно R = 1200 Ом.

Схема на рисунке №1 работает следующим образом.

В исходном состоянии тиристор закрыт, электрическая лампочка не горит. Схема в таком состоянии может находиться сколько угодно долго. Нажмем кнопку Кн2 и отпустим. По цепи управляющего электрода пойдет импульс тока управления. Тиристор откроется. Лампочка будет гореть, даже если будет оборвана цепь управляющего электрода.
Нажмем и отпустим кнопку Кн1. Цепь тока нагрузки, проходящего через тиристор, оборвется и тиристор закроется. Схема придет в исходное состояние.

Проверим работу тиристора в цепи переменного тока.

Вместо источника постоянного напряжения U включим переменное напряжение 12 вольт, от какого либо трансформатора (рисунок №2).

В исходном состоянии лампочка гореть не будет.
Нажмем кнопку Кн2. При нажатой кнопке лампочка горит. При отжатой кнопке — тухнет.
При этом лампочка горит «в пол – накала». Это происходит потому, что тиристор пропускает только положительную полуволну переменного напряжения.
Если вместо тиристора будем проверять симистор, например КУ208, то лампочка будет гореть в полный накал. Симистор пропускает обе полуволны переменного напряжения.

Как проверить тиристор от отдельного источника управляющего напряжения?

Вернемся к первой схеме проверки тиристора, от источника постоянного напряжения, но несколько видоизменив ее.

Смотрим рисунок №3.

В этой схеме ток управляющего электрода подается от отдельного источника. В качестве него можно использовать плоскую батарейку.
При кратковременном нажатии на кнопку Кн2, лампочка так же загорится, как и в случае на рисунке №1. Ток управляющего электрода должен быть не менее 15 – 20 миллиампер. Запирается тиристор, так же, нажатием кнопки Кн1.

4. Урок №4 — «Тиристор в цепи переменного тока. Импульсно — фазовый метод»

5. Урок №5 — «Тиристорный регулятор в зарядном устройстве»

В этих уроках, в простой и удобной форме, излагаются основные сведения по полупроводниковым приборам: динисторам и тиристорам.

Что такое динистор и тиристор, выды тиристоров и их вольт — амперные характеристики, работа динисторов и тиристоров в цепях постоянного и переменного тока, транзисторные аналоги динистора и тиристора.

А так же: способы управления электрической мощностью переменного тока, фазовый и импульсно-фазовый методы.

Каждый теоретический материал подтверждается практическими примерами.
Приводятся действующие схемы: релаксационного генератора и фиксированной кнопки, реализованных на динисторе и его транзисторном аналоге; схема защиты от короткого замыкания в стабилизаторе напряжения и многое другое.

Особенно интересна для автолюбителей схема зарядного устройства для аккумулятора на 12 вольт на тиристорах.
Приводятся эпюры формы напряжения в рабочих точках действующих устройств управления переменным напряжением при фазовом и импульсно-фазовом методах.

Чтобы получить эти бесплатные уроки подпишитесь на рассылку, заполните форму подписки и нажмите кнопку «Подписаться».

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов — S-образная вольтамперная характеристика — позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей.

Для обеспечения работы ключа в двух устойчивых режимах его нагрузочная прямая должна пересекать вольт-амперную характеристику в трех точках (/, 2, 3) (рис. ???)) из которых положения 1 и 3 являются устойчивыми. Если при отсутствии входного сигнала приложенное к тиристору прямое напряжение не превышает U ВКЛ , то ключ находится в закрытом состоянии. Однако с приближением напряжения на тиристоре к величине, равной U ВКЛ , закрытое состояние оказывается неустойчивым. Более того, некоторые образцы тиристоров могут самопроизвольно отпираться при выдержке под напряжением, значительно меньшем U ВКЛ , что проявляется особенно сильно с увеличением, температуры. Поэтому закрытое состояние тиристора характеризуется лишь частью напряжения U ВКЛ , т. е. максимально допустимым прямым напряжением U ПР.МАКС , находясь под которым прибор должен оставаться закрытым в течение всего срока службы.

Для трехэлектродных тиристоров значение U ПР.МАКС можно увеличить, если зашунтировать управляющий переход или подать на него отрицательное смещение, что вызывает протекание в цепи управляющего электрода запирающего тока I У.ОБР , причем в случае шунтирования управляющего перехода ток I У.ОБР является частью тока анода, ответвляющейся в цепь шунта.

Сопротивление тиристорного ключа в закрытом состоянии определяется током утечки в прямом направлении I УТ , измеренным при напряжении U ПР.МАКС и максимально допустимой температуре, и током I К0 центрального перехода П 2 . Это позволяет использовать в качестве эквивалентной схемы тиристора в закрытом состоянии сопротивление, величина которого равна R ОБР , и источник тока I К0 .

Сопротивление ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением U ОБР , измеренным при протекании максимального прямого тока I ПР.МАХ , который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре Р МАХ . Это позволяет заменить открытый тиристор эквивалентным сопротивлением R ПР . величина которого равна R ПР = U ОСТ/ I ПР.МАХ и источником напряжения U ОСТ .

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно осуществляться подачей отпирающего импульса в цепь управления для трехэлектродных приборов — триодных (ТТ) и запираемых (ЗТ) тиристоров или в цепь анод-катод для диодных тиристоров (ДТ). Между амплитудой импульса U ВКЛ.ИМП , переключающего ДТ в открытое состояние, которую в соответствии со справочными обозначениями, принятыми для диодных тиристоров, будем обозначать U ПУСК , и статическим значением U ВКЛ не существует корреляционного соответствия. Амплитуда U ПУСК в основном зависит от длительности фронта импульса отпирающего напряжения на аноде тиристора t Ф , емкости участка анод-катод закрытого диодного тиристора C ДТ ≈ C П2 где C П2 — емкость центрального р-n перехода, а следовательно, и от внутреннего сопротивления генератора отпирающих импульсов R ВН .

Для отпирания импульсного ключа, выполненного на трехэлектродном приборе (ТТ или ЗТ), и запирания ключа на ЗТ необходимо обеспечить протекание определенного импульса тока в цепи управления тиристора. Амплитуда этого импульса, прежде всего, зависит от его длительности, а при запирании — и от величины прямого тока анода I ПР , протекающего через открытый тиристор.

Одним из основных параметров, характеризующих процесс отпирания трехэлектродных тиристоров, является импульсный ток спрямления I СПР , под которым следует понимать минимальную амплитуду положительного импульса тока управления заданной длительности, переключающего тиристор в открытое состояние при определенном напряжении на аноде.

Поскольку импульсный ток управления I У.ОБР запирающий тиристор, зависит от тока анода I ПР , то управляемость запираемого тиристора характеризуется импульсным коэффициентом запирания B ЗАП = I ПР / I ЗАП (при I У.ОБР = I ЗАП тиристор запирается).

Длительность процесса отпирания характеризуется временем задержки t З (ток анода возрастает до 0,1 I ПР ) и временем установления прямого сопротивления t УСТ (ток анода изменяется от 0, I ПР до 0,9 I ПР ), которые в сумме составляют время включения t ВКЛ , а длительность процесса запирания характеризуется временем запаздывания t ЗП (ток анода уменьшается до 0,9 I ПР ) и временем спада t СП (ток анода изменяется от 0,9 I ПР до 0,1 I ПР ), которые в сумме составляют время запирания t ЗАП .

Время переключения тиристорного ключа, несмотря на действие сильной внутренней положительной обратной связи составляет существенно большую величину, чем аналогичный параметр у транзисторных ключей. Это объясняется режимом глубокого насыщения p-n-p-n — структуры и связанным с ним накоплением и рассасыванием большого объемного заряда. Из-за этого время включения тиристора составляет единицы микросекунд, а выключения — десятки и сотни микросекунд, уменьшаясь у высокочастотных тиристоров и тиристоров, прямой ток которых существенно меньше максимально допустимого.

Заметим, что при активно-индуктивном характере нагрузки тиристорного ключа нарастание прямого тока определяется не только и не столько инерционностью самого прибора, сколько постоянной времени нагрузки. Для таких ключей длительность управляющих импульсов выбирается не только по минимально заданным справочным данным, но и в зависимости от постоянной времени нагрузки, учитывая, что в течении длительности импульса управления прямой ток должен успеть превысить величину I ВЫКЛ .

К числу параметров, характеризующих отпирание тиристорного ключа, следует отнести и максимально допустимую скорость нарастания анодного тока (dI ПР /dt) MAX . Ограничение скорости (dI ПР /dt) сверху обусловлено влиянием неодномерных явлений на процесс отпирания тиристора и оказывается особенно сильным в режимах, когда амплитуда импульса прямого тока I ПР.ИМП >> I ПР.МАХ . Значения (dI ПР /dt) иI ПР.ИМП.МАХ . зависят от длительности импульсов прямого тока и частоты ихследования.

Построение и расчет цепей отпирания, выключения и запирания тиристорных ключей являются первоочередными задачами, которые приходится решать при проектировании тиристорных устройств. При этом под выключением тиристоров понимается их выключение пo анодной цепи, а под запиранием — выключение по цепи управляющего электрода.

Анализ цепей отпирания. Цепь отпирания должна обеспечить включение от импульса сигнала управления, защиту тиристора от отпирающего импульса помехи и запас по минимально допустимому режиму входной цепи прибора. Эти требования необходимо удовлетворить в заданном диапазоне внешних, например, температурных, воздействий для любого тиристора выбранного типа.

Для обеспечения гарантированного включения тиристора и исключения его срабатывания от сигнала помехи U ПОМ необходимо удовлетворить неравенства

где U ПОМ.У и I ПОМ.У — допустимые значения напряжения и тока помехи, действующей в управляющей цепи.

В случае индуктивного характера нагрузки (рис. 4.7.1-а) длительность импульса управления необходимо увеличить до значения

где I ПР — установившееся значение тока нагрузки; — постоянна» времени цепи нагрузки; τ Н = L Н /R Н ; t ВКЛ — длительность импульса управления при чисто активной нагрузке.

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной R С -цепью (рис. 4.7.1-б и -в), параметры которых для схемы рис. 4.7.1, а выбираются из условия

а для схемы рис. 4.7.1.

;

Применение резистивно-емкостного шунта уменьшает потери мощности по сравнению с чисто резистивным шунтом, однако при

в схеме могут возникнуть колебательные процессы.Основные схемы цепей отпирания ключей на тиристорах показаны на рис. 4.7.2. Включение диода в управляющую цепь тиристора (рис. 4.7.2, —а и —б ) исключает протекание обратного тока через управляющий переход, что не допускается для обычных триодных тиристоров, а включение R Ш повышает устойчивость тиристоров против самопроизвольного включения В схеме (рис. 4.7.2-б ) роль сопротивления шунта играет малое по постоянному току сопротивление выходной обмотки трансформатора. Включение разделительной емкости C Р в схеме рис. 4.7.2-в позволяет сформировать управляющий импульс с формой, близкой к оптимальной, т. е. крутым и большим по амплитуде передним фронтом и экспоненциально убывающей вершиной.

Схемы цепей отпирания ключей на диодных тиристорах приведены на рис. 4.7.2 г-е. При подаче короткого импульса положительной (рис 4.7.2-г ) или отрицательной (рис. 4.7.2-д) полярности в цепи анод — катод тиристора через емкость центрального перехода C П2 =C S протекает ток, который обеспечивает накопление в базах S заряда Q ВКЛ , необходимого для отпирания прибора. Диод D 1 увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.7.2-д должны выполняться неравенства

и

а в схеме рис. 4.7.2 —г и д — неравенства

и

где t Ф.МАХ — максимальная длительность фронта входного импульса C S — емкость тиристора.

А

нализ цепей выключения. Для выключения тиристора по аноду необходимо уменьшить протекающий через тиристор ток до величины меньшей I ВЫКЛ.MIN , на время большее t ВЫКЛ . В цепях постоянного тока эта задача решается с помощью транзисторного ключа или коммутирующих реактивных элементов

Схемы выключения тиристорного ключа с последовательным и параллельным транзисторами показаны на рис. 4.7.3 –а и —б. Последовательный

транзистор, запираясь оложительным импульсом, прерывает протекание тока через тиристор на время t И > t ВЫКЛ . Дополнительное подключение Е 0 повышает надежность выключения, компенсируя ток I К0 закрытого транзистора, и способствует повышению скорости рассасывания объемного заряда и, тем самым, уменьшает время выключения тиристора.

В схеме с параллельным транзистором при его отпирании основная часть анодного тока тиристора ответвляется через транзистор, прямой ток тиристора уменьшается ниже I ВЫКЛ.MIN и тиристор запирается. Для повышения надежности запирания последовательно с тиристором можно включить диод D , который увеличивает остаточное напряжение и сопротивление шунтируемой транзистором цепи и тем самым уменьшает протекающий в ней при открытом транзисторе ток.

Поскольку в тиристорных ключах с транзисторными схемами выключения рассасывание накопленного в структуре заряда происходит только за счет процессов рекомбинации, то время выключения тиристоров затягивается, а амплитуды коммутируемых токов и напряжений, определяемые характеристиками транзисторов, ограничивают область применения тиристорных ключей. Такие схемы выключения применяются только для маломощных тиристоров.

Б

олее широко в импульсной технике используются схемы выключения с помощью заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора. Суть работы этих схем выключения заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с помощью вспомогательного тиристора подключается к основному тиристору таким образом, что ток его разряда направлен навстречу прямому току основного тиристора, что обеспечивает его форсированное запирание. Коммутирующий конденсаторС может быть подключен с помощью вспомогательного тиристора S2 параллельно основному тиристору S1 (рис. 4.7.4 –а-в), параллельно нагрузке (рис. 4.7.5 -г и д) или к соединенным последовательно тиристору S1 и нагрузке (рис. 4.7.4-е). Соответственно различают параллельную (рис. 4.7.4, а-д) и последовательную (рис. 4.7.4 -е) коммутации.

П

араметры коммутирующей емкостиС и дросселя L рассчитывают исходя из условия, при котором на основном тиристоре за время перезаряда конденсатора до нуля сохраняется обратное напряжение течение отрезка времени длительностью не меньше t ВЫКЛ . Заряд конденсаторов С обеспечивается специальной зарядной цепью, которая на рис. 4.7.4-б-е не показана.

Для формирования мощных коротких импульсов используется выключение тиристоров с помощью последовательного LC -контура. Основное преимущество способа заключается в простоте коммутирующих цепей (рис. 4.7.5), не содержащих вспомогательных тиристоров и зарядных цепей. Для выключения тиристора с помощью LC -контура ударного возбуждения при R Е/ I ВЫКЛ прежде всего необходимо, чтобы конденсатор разряжался (рис. 4.7.5- а и б) или заряжался (рис. 4.7.6-в) по колебательному закону и при этом выполнялось условие

где I 1 — значение первого отрицательного экстремума переменной составляющей тока, протекающего через индуктивность контура; R1 — сопротивление, учитывающее омическое сопротивление катушки и нагрузки.

В схеме рис. 4.7.5 -а после отпирания тиристора S и изменения направления тока, протекающего через индуктивность контура, открывается диод D . К тиристору в течение времени ∆t (пока открыт диод D и ток контура С — R1 — L — D превышает ток, равный E/(R+R1) ) прикладывается обратное напряжение. Значения L и С можно рассчитать по формулам

Коммутирующая цепь рис. 4.7.5-а позволяет построить схемы формирователей импульсов длительностью t И > t ВЫКЛ . Для формирования мощных коротких импульсов длительностью t И t ВЫКЛ можно использовать схемы рис. 4.7.5-б и в. В этой схеме коммутационный ток контура протекает через тиристор S в запирающем направлении, что форсирует процесс его запирания.

Анализ цепей запирания. Существует два вида цепей запирания ключей на запираемых тиристорах: с накопителем и без накопителей энергии.

Цепи с накопителем энергии представлены на рис. 4.7.6. В этих схемах включение (рис. 4.7.6 -а) или отключение (рис. 4.7.6 -б) ключа SA приводит к разряду энергии, накопленной в конденсаторе или индуктивности, в направлении, запирающем тиристор S . Схемы включения тиристора для простоты не показаны. Параметры элементов запирающей цепи выбираются из условия:

для схемы рис. 4.7.6 -б

;

Цепи запирания, не содержащие накопителей энергии, благодаря простоте, малым размерам и массе, а также высокому быстродействию могут наиболее успешно использоваться при построении тиристорных ключей на запираемых тиристорах.

Принцип запирания S без накопителей энергии показан на рис. 4.7.7-а. Запирание тиристора S , включенного ранее положительным импульсом через диод D при разомкнутом ключе SA, осуществляется замыканием ключа SA . При этом через управляющую цепь протекает обратный ток I У.ОБР , величина которого, согласно упрощенной эквивалентной схеме (рис. 4

.7.7-б), равна

Если соблюдается условие I У.ОБР ≥ I ПР /B ЗАП то тиристор закрывается. Минимальная величина R Н , при которой можно использовать этот метод, имеет место при R Б = 0 и может быть найдена из соотношения

(4.7.3)

В качестве ключа SA можно использовать маломощные транзистор или тиристор (рис. 4.7.8).

В

отсутствии запирающего сигналаU ЗАП транзистор T и тиристор S2 заперты, а тиристор S1 может быть включен сигналом U ОТП . При поступлении сигнала U ЗАП ключ в запирающей цепи открывается, пропуская через себя ток запирания S1 . В схеме 4.7.8 -в, где используется разделенная нагрузка, величина сопротивления R Н2 может быть выбрана из условия (4.7.3) при R Н = R Н2 .

В различных электронных устройствах в цепях переменного тока в качестве силовых ключей широко применяют тринисторы и симисторы. Данная статья призвана помочь в выборе схемы управления подобными приборами.

Самый простой способ управления тиристорами — это подача на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (рис. 1). Ключ SA1 на рис. 1 и на последующих рисунках — это любой элемент, обеспечивающий замыкание цепи: транзистор, выходной каскад микросхемы, оптрон и др. Этот способ прост и удобен, но обладает существенным недостатком — требуется довольно большая мощность управляющего сигнала. В табл. 1 приведены наиболее важные параметры для обеспечения надежного управления некоторыми самыми распространенными тиристорами (три первых позиции занимают тринисторы, остальные — симисторы). При комнатной температуре для гарантированного включения перечисленных тиристоров требуется ток управляющего электрода Iу вкл равный 70–160 мА. Следовательно, при напряжении питания, типовом для собранных на микросхемах узлов управления (10–15 В), требуется постоянная мощность 0,7–2,4 Вт.

Отметим, что полярность управляющего напряжения для тринисторов положительная относительно катода, а для симисторов — или отрицательная для обоих полупериодов, или совпадающая с полярностью напряжения на аноде. Также можно добавить, что часто в соответствии с указаниями по применению требуется шунтирование управляющего перехода тринисторов сопротивлением 51 Ом (R2 на рис. 1) и не требуется никакого шунтирования для симисторов.

Реальные величины тока управляющего электрода, достаточного для включения тиристора, обычно меньше цифр, приведенных в табл. 1, поэтому нередко идут на его снижение относительно гарантированных значений: для тринисторов — до 7–40 мА, для симисторов — до 50–60 мА. Такое снижение часто приводит к ненадежной работе устройств, и необходимости предварительной проверки или же подбора тиристоров. Уменьшение управляющего тока также может приводить к возникновению помех радиоприему, поскольку включение тиристоров при малых токах управляющего электрода происходит при относительно большом напряжении на аноде — несколько десятков вольт, что приводит к броскам тока через нагрузку и, следовательно, к мощным помехам.

Недостатком управления тиристорами постоянным током является гальваническая связь источника управляющего сигнала и сети. Если в схеме с симистором (рис. 1, б) при соответствующем включении сетевых проводов источник управляющего сигнала можно соединить с нулевым проводом, то при использовании тринистора (рис 1, а) такая возможность возникает лишь при исключении выпрямительного моста VD1–VD4. Последнее приводит к однополупериодной подаче напряжения на нагрузку и двукратному уменьшению поступаемой в нее мощности.

В настоящее время в связи с большой потребляемой мощностью запуск тиристоров постоянным током при бестрансформаторном питании пусковых узлов (с гасящим резистором или конденсатором) практически не используется.

Одним из вариантов снижения потребляемой узлом управления мощности является использование вместо постоянного тока непрерывной последовательности импульсов с относительно большой скважностью. Поскольку время включения типовых тринисторов составляет 10 мкс и менее, можно подавать на их управляющий электрод импульсы такой же длительности со скважностью, например, 5–10–20, что соответствует частоте 20–10–5 кГц. В этом случае потребляемая мощность также уменьшается в 5–10–20 раз соответственно.

Однако при таком способе управления выявляются некоторые новые недостатки. Во-первых, теперь тиристор включается не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в произвольные моменты времени, отстоящие от начала полупериода на время, не превышающее периода запускающих импульсов, т. е. 50–100–200 мкс.

За это время напряжение сети может возрасти примерно до 5–10–20 В. Это приводит к возникновению помех радиоприему и к некоторому уменьшению выходного напряжения, впрочем, малозаметному.

Существует еще одна проблема. Если при включении в начале полупериода во время действия запускающего импульса ток через тиристор не достигнет тока удержания (Iуд, табл. 1), тиристор после окончания импульса выключится. Следующий импульс вновь включит тиристор, и он не выключится лишь в том случае, если к моменту окончания импульса ток через него будет больше тока удержания. Таким образом, ток через нагрузку сначала будет иметь вид нескольких коротких импульсов и лишь потом — синусоидальную форму.

Если же нагрузка имеет активноиндуктивный характер (например, электродвигатель), ток через нее за время действия короткого включающего импульса может не успеть достичь величины тока удержания, даже когда мгновенное напряжение в сети максимально. Тиристор после окончания каждого импульса будет выключаться. Этот недостаток ограничивает снизу длительность запускающих импульсов и может свести на нет уменьшение потребляемой мощности.

Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском

Применение импульсного запуска облегчает гальваническую развязку между узлом управления и сетью, ибо ее может обеспечить даже небольшой трансформатор с коэффициентом трансформации, близким к 1:1. Его обычно наматывают на ферритовом кольце диаметром 16–20 мм с тщательно выполненной изоляцией между обмотками. Следует предостеречь от применения малогабаритных импульсных трансформаторов промышленного изготовления. Как правило, они имеют низкое напряжение изоляции (около 50–100 В) и могут служить причиной поражения электрическим током, если при использовании прибора будет считаться, что цепь управления изолирована от сети.

Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском.

Снижение требуемой при импульсном управлении мощности и возможность введения гальванической развязки позволяют применить в узлах управления тиристорами бестрансформаторное питание.

Включение тиристора через ключ и ограничительный резистор

Третий широко распространенный способ включения тиристоров — подача на управляющий электрод сигнала с его анода через ключ и ограничительный резистор (рис. 2). В таком узле ток через ключ протекает в течение нескольких микросекунд, пока включается тиристор, если напряжение на аноде достаточно велико. В качестве ключей используют малошумящие электромагнитные реле, высоковольтные биполярные транзисторы, фотодинисторы или фотосимисторы (схемы на рис. 2 соответственно). Способ включения тиристора прост и удобен, не критичен к наличию у нагрузки индуктивной составляющей, но имеет недостаток, на который нередко не обращают внимания.

Недостаток связан с противоречивостью требований к ограничительному резистору R1. С одной стороны, его сопротивление должно быть как можно меньше, чтобы включение тиристора происходило как можно ближе к началу полупериода сетевого напряжения. С другой стороны, при первом открывании ключа, если оно не синхронизировано с моментом прохождения сетевого напряжения через нуль, напряжение на резисторе R1 может достигать амплитудного напряжения сети, т. е. составлять 310–350 В. Импульс тока через этот резистор не должен превышать допустимых значений для ключа и управляющего перехода тиристора. В табл. 2 приведены некоторые параметры наиболее часто применяемых отечественных фототиристоров (приборы серий АОУ103/3ОУ103 и АОУ115 — фотодинисторы, АОУ — фотосимисторы). Исходя из значений максимально допустимого импульсного тока управления (табл. 1) и максимального импульсного тока через ключ (табл. 2), можно для каждой конкретной пары приборов определить минимально допустимое сопротивление ограничительного резистора. Например, для пары КУ208Г (Iу, вкл макс = 1 А) и АОУ160А (Iмакс, имп = 2 А) можно выбрать R1 = 330 Ом. Если ток управляющего электрода, при котором происходит включение симистора, соответствует его максимальному значению 160 мА, симистор будет включаться при напряжении на аноде равном 0,16·330 = 53 В.

Как и в случае с подачей управляющих импульсов относительно большой скважности, это приводит к возникновению помех и к некоторому уменьшению выходного напряжения. Поскольку реальная чувствительность тиристоров по управляющему электроду обычно лучше, задержка открывания тиристора относительно начала полупериода меньше рассчитанной выше предельной величины.

Сопротивление ограничивающего резистора R1 может быть уменьшено на величину сопротивления нагрузки, поскольку в момент включения они включены последовательно.

Более того, если нагрузка имеет гарантированно индуктивно-резистивный характер, можно еще более уменьшить сопротивление указанного резистора. Однако если нагрузкой являются лампы накаливания, надо помнить, что их холодное сопротивление примерно в десять раз меньше рабочего.

Следует также иметь ввиду, что включающий ток симисторов имеет разную величину для положительной и отрицательной полуволн сетевого напряжения. Поэтому в выходном напряжении мо жет появиться небольшая постоянная составляющая.

Из фотодинисторов серии АОУ103/3ОУ103 для управления тиристорами в сети 220 В по максимально допустимому напряжению подходят только 3ОУ103Г, однако неоднократно проверено, что и АОУ103Б и АОУ103В годятся для работы в этом режиме.

Различие между приборами с индексами Б и В заключается в том, что подача напряжения обратной полярности на АОУ103Б не допускается. Аналогично и различие между АОУ115Г и АОУ115Д: приборы с индексом Д допускают подачу обратного напряжения с индексом Г — нет.

Существенного сокращения потребляемой цепями управления мощности можно добиться, если включать ток управляющего электрода в момент включения тиристора. Два варианта схем узлов управления, обеспечивающих такой режим, приведены на рис. 3.

Включение тринистора в схеме на рис. 3, а происходит в момент замыкания контактов ключа SA1. После включения тринистора элемент DD1.1 выключается, и ток управляющего электрода прекращается, что существенно экономит потребление по цепи управления. Если напряжение на тринисторе в момент включения SA1 будет меньше порога переключения DD1.1, тринистор не включится, пока напряжение на нем не достигнет этого порога, т. е. не станет несколько более половины напряжения питания микросхемы. Регулировать пороговое напряжение можно подбором сопротивления нижнего плеча делителя резистора R6. Резистор R2 обеспечивает низкий логический уровень на входе 1 элемента DD1.1 при закрывании тринистора VS1 и диодного моста VD2.

Для аналогичного включения симистора необходим узел двуполярного управления элементом совпадения DD1.1 (рис. 3, б). Этот узел собран на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R2–R4. Транзистор VT1 включен по схеме с общей базой, и напряжение на его коллекторе становится по модулю меньше порога переключения элемента DD1.1, когда напряжение на аноде симистора VS1 положительно относительно катода и превышает его примерно на 7 В. Аналогично транзистор VT2 входит в насыщение, когда отрица тельное напряжение на аноде становится по модулю больше –6 В.

Такой узел выделения момента прохождения напряжения через нуль широко применяется в различных разработках. При всей кажущейся привлекательности узлы, выполненные по схемам, приведенным на рис. 3, и им аналогичные, обладают существенным недостатком: если по какойлибо причине тиристор не включится, ток через его управляющий электрод будет идти неопределенно долго. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры по ограничению длительности импульса или рассчитывать источник питания на полный ток, т. е. на такую же мощность, как и для узлов по схеме на рис. 1.

Наиболее экономичные схемы управления используют формирование одиночного включающего импульса вблизи перехода сетевого напряжения через нуль. Две несложных схемы таких формирователей приведены на рис. 4, а временные диаграммы их работы — на рис. 5 (а и б соответственно). Недостатком, впрочем совершенно несущественным в большинстве случаев, является то, что первое включение происходит не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в самом конце того, во время которого был замкнут ключ SA1.

Двойная длительность включающего импульса 2Т0 определяется порогом переключения элемента ИЛИ НЕ с учетом делителя R2R3 (рис. 4, а) или порогом формирователя на VT1, VT2 (рис. 4, б), и рассчитывается по формуле

13.jpg (613 bytes)

Скорость изменения сетевого напряжения при переходе через нуль

14.jpg (926 bytes)

и при Uпор = 50 В двойная длительность составит 2Т0 = 1 мс. Скважность импульсов равна 10, и средний потребляемый ток в 10 раз меньше амплитудного значения, необходимого для надежного включения тиристора.

Минимальная длительность включающего импульса определяется тем, что он должен оканчиваться не ранее, чем ток через нагрузки достигнет тока удержания тиристора. Например, если нагрузка имеет мощность 200 Вт (Rн = 2202/200 = 242 Ом), а ток удержания симистора КУ208 — 150 мА, то этот ток достигается при мгновенном напряжении в сети 242·0, 15 = 36 В, т. е. при скорости нарастания 100 В/мс окончание импульса запуска должно быть не ранее, чем через 360 мкс от момента перехода напряжения через нуль. Снизить потребляемую мощность еще примерно в десять раз можно за счет подачи на третий вход элементов ИЛИ — НЕ схем на рис. 4 непрерывной последовательности импульсов (показано штриховыми линиями), как это было упомянуто в начале статьи применительно к узлам по схемам на рис. 1. При этом проявляются те же недостатки, что и при непрерывной подаче импульсов на управляющий электрод.

Для уменьшения потерь мощности можно сформированный в узлах по схемам на рис. 4 импульс, продифференцировать его, и продифференцированный задний фронт использовать как запускающий для тиристора (рис. 6). Параметры этого запускающего импульса Ти следует выбирать так. Он должен начинаться как можно раньше после прохождения сетевого напряжения через нуль, чтобы бросок тока через нагрузку в момент включения в начале каждого полупериода был бы минимальным и минимальными были бы помехи и потери мощности. Здесь ширина импульса, формируемого в момент прохождения напряжения сети через нуль, ограничена снизу только временем перезаряда дифференцирующей цепи C1R7 и может быть достаточно малой, но конечной. Оканчиваться импульс должен, как и для предыдущего варианта, не ранее, чем когда ток через нагрузку достигнет тока удержания тиристора.

При работе узлов по схемам на рис. 7 и 8 подача на управляющий электрод импульса включения спрямляет выходную характеристику тиристора в момент прохождения сетевого напряжения через нуль и при правильно выбранной длительности импульса удерживает тиристор во включенном состоянии до момента достижения тока удержания даже при наличии небольшой индуктивной составляющей нагрузки. Источник питания таких узлов может быть собран по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором или, что еще лучше, конденсатором. Помех радиоприему такое включение тиристоров не создает и может быть рекомендовано для всех случаев управления нагрузками с малой индуктивной составляющей.

Если же нагрузка имеет выраженный индуктивный характер, можно рекомендовать схемы управления, приведенные на рис. 2. Для уменьшения помех радиоприему необходимо включение в сетевые провода помехоподавляющих фильтров, а если провода от регулятора до нагрузки имеют заметную длину, то и в эти провода тоже.

Выше были рассмотрены варианты управления тиристорами при их использовании в качестве ключей. При фазоимпульсном управлении мощностью нагрузок можно использовать описанные выше схемотехнические решения по формированию импульсов в моменты перехода сетевого напряжения через нуль для запуска времязадающего узла запуска тиристора. Отметим, что такой узел должен давать стабильную задержку включения тиристора, не зависящую от напряжения сети и температуры, а длительность формируемого импульса должна обеспечить достижение тока удержания независимо от момента включения нагрузки в пределах полупериода.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

1.1 Определение, виды тиристоров

1.2 Принцип действия

1.3 Параметры тиристоров

Глава 2. Применение тиристоров в регуляторах мощности

2.1 Общие сведения о различных регуляторах

2.2 Процесс управления напряжением при помощи тиристора

2.3 Управляемый выпрямитель на тиристоре

Глава 3. Практические разработки регуляторов мощности на тиристорах

3.1 Регулятор напряжения на тиристоре КУ201К

3.2 Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах

Заключение

Литература

Введение

В данной работе рассмотрены несколько вариантов устройств, где используются элементы тиристоры в качестве регуляторов напряжения и в качестве выпрямителей. Приведены теоретическое и практическое описания принципа действия тиристоров и устройств, схемы этих устройств.

Управляемый выпрямитель на тиристорах — элементах, обладающих большим коэффициентом усиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора.

В данной работе рассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжения сети.

Глава 1. Понятие о тиристоре. Виды тиристоров. Принцип действия

1.1 Определение, виды тиристоров

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт — закрыт (управляемый диод).

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n (рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом.

В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

Рис. 1.1.1 Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора.

Рис. 1.1.2 Структура динистора.

Рис. 1.1.3 Структура тринистора.

1.2 Принцип действия

При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора).

Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемого тиристора (тринистора).

Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора.

Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора.

Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области — избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).

Если к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 1.2.4), то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора.

Тиристор назначение и принцип работы. Управление тиристором, принцип действия

Тиристор представляет собой электронный силовой частично управляемый ключ. Этот прибор, с помощью сигнала управления может находиться только в проводящем состоянии, то есть быть включенным. Для того, чтобы его выключить, нужно проводить специальные мероприятия, которые обеспечивают падение прямого тока до нулевого значения. Принцип работы тиристора заключается в односторонней проводимости, в закрытом состоянии может выдержать не только прямое, но и обратное напряжение.

Свойства тиристоров

По своим качествам, тиристоры относятся к полупроводниковым приборам. В их полупроводниковой пластине присутствуют смежные слои, обладающие различными типами проводимости. Таким образом, каждый тиристор представляет собой прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п.

К крайней области р-структуры производится подключение положительного полюса источника напряжения. Поэтому, данная область получила название анода. Противоположная область п-типа, куда подключается отрицательный полюс, называется катодом. Вывод из внутренней области осуществляется с помощью р-управляющего электрода.

Классическая модель тиристора состоит из двух , имеющих разную степень проводимости. В соответствии с данной схемой, производится соединение базы и коллектора обоих транзисторов. В результате такого соединения, питание базы каждого транзистора осуществляется с помощью коллекторного тока другого транзистора. Таким образом, получается цепь с положительной обратной связью.

Если ток отсутствует в управляющем электроде, то транзисторы находятся в закрытом положении. Течение тока через нагрузку не происходит, и тиристор остается закрытым. При подаче тока выше определенного уровня, в действие вступает положительная обратная связь. Процесс становится лавинообразным, после чего происходит открытие обоих транзисторов. В конечном итоге, после открытия тиристора, наступает его стабильное состояние, даже в случае прекращения подачи тока.

Работа тиристора при постоянном токе

Рассматривая электронный тиристор принцип работы которого основан на одностороннем движении тока, следует отметить его работу при постоянном токе.

Обычный тиристор включается путем подачи импульса тока в цепь управления. Эта подача осуществляется со стороны положительной полярности, противоположной, относительно катода.

Во время включения, продолжительность переходного процесса обусловлена характером нагрузки, амплитудой и скоростью, с которой нарастает импульс тока управления. Кроме того, этот процесс зависит от температуры внутренней структуры тиристора, тока нагрузки и приложенного напряжения. В цепи, где установлен тиристор, не должно быть недопустимой скорости роста напряжения, которое может привести к его самопроизвольному включению.

♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр , то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U , если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.

♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:

• — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
• — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
• — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).

Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.

Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов .

В качестве динистора используем КН102А-Б.

♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн , через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2 .
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом , не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н .
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды . Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.

В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1 . Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн .
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется» .
Загорается лампочк а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго .
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн . При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается» . Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).

Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .

♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .

Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3 .
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.

Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).

Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.

Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .

♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .

Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.

Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.

Потом можно заменить его на постоянный резистор.

Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .

Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.

Стабилизатор состоит из:

• — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
• — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
• — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
• — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .

♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1 . Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510 , величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт .
Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.

Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.

В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4 . При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта .
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.

Одновременно загорается светодиод Д1 , сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта .
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн , сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт , а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3 , можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более . Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Тиристор — электронный компонент, изготовленный на основе полупроводниковых материалов, может состоять из трёх или более p-n-переходов и имеет два устойчивых состояния: закрытое (низкая проводимость), открытое (высокая проводимость).

Это сухая формулировка, которая для тех, кто только начинает осваивать электротехник у, абсолютно ни о чём не говорит. Давайте разберём принцип работы этого электронного компонента для обычных людей, так сказать, для чайников, и где его можно применить. По сути, это электронный аналог выключателей, которыми вы каждый день пользуетес

Есть много типов этих элементов, обладающие различными характеристиками и имеющие различные области применения. Рассмотрим обычный однооперационный тиристор.

Способ обозначения на схемах показан на рисунке 1.

Электронный элемент имеет следующие выводы:

• анод положительный вывод;
• катод отрицательный вывод;
• управляющий электрод G.

Принцип действия тиристора

Основное применение этого типа элементов это создание на их основе силовых тиристорных ключей для коммутации больших токов и их регулирования. Включение выполняется сигналом, переданным на управляющий электрод. При этом элемент является не полностью управляемым, и для его закрытия необходимо применение дополнительных мер, которые обеспечат падение величины напряжения до нуля.

Если говорить, как работает тиристор простым языком, то он, по аналогии с диодом, может проводить ток только в одном направлении, поэтому при его подключении нужно соблюдать правильную полярность . При подаче напряжения к аноду и катоду этот элемент будет оставаться закрытым до момента, когда на управляющий электрод будет подан соответствующий электрический сигнал. Теперь, независимо от наличия или отсутствия управляющего сигнала, он не изменит своего состояния и останется открытым.

Условия закрытия тиристора:

1. Снять сигнал с управляющего электрода;
2. Снизить до нуля напряжение на катоде и аноде.

Для сетей переменного тока выполнение этих условий не вызывает особых трудностей. Синусоидальное напряжение, изменяясь от одного амплитудного значения до другого, снижается до нулевой величины, и если в этот момент управляющего сигнала нет, то тиристор закроется.

В случае использования тиристоров в схемах постоянного тока для принудительной коммутации (закрытия тиристора) используют ряд способов, наиболее распространённым является использование конденсатора, который был предварительно заряжен. Цепь с конденсатором подключается к схеме управления тиристором. При подключении конденсатора в цепь произойдёт разряд на тиристор, ток разряда конденсатора будет направлен встречно прямому току тиристора, что приведёт к уменьшению тока в цепи до нулевого значения и тиристор закроется.

Можно подумать, что применение тиристоров неоправданно, не проще ли использовать обычный ключ? Огромным плюсом тиристора является то, что он позволяет коммутировать огромные токи в цепи анода-катода при помощи ничтожно малого управляющего сигнала, поданного в цепь управления. При этом не возникает искрения, что немаловажно для надёжности и безопасности всей схемы.

Схема включения

Схема управления может выглядеть по-разному, но в простейшем случае схема включения тиристорного ключа имеет вид, показанный на рисунке 2.

К аноду присоединена лампочка L, а к ней выключателем К2 подключается плюсовая клемма источника питания G. B. Катод соединяется с минусом питания.

После подачи питания выключателем К2 к аноду и катоду будет приложено напряжение батареи, но тиристор остаётся закрытым, лампочка не светится. Для того чтобы включить лампу, необходимо нажать на кнопку К1, сигнал через сопротивление R будет подан на управляющий электрод, тиристорный ключ изменит своё состояние на открытое, и лампочка загорится. Сопротивление ограничивает ток, подаваемый на управляющий электрод. Повторное нажатие на кнопку К1 никакого влияния на состояние схемы не оказывает.

Для закрытия электронного ключа нужно отключить схему от источника питания выключателем К2. Этот тип электронных компонентов закроется, и в случае снижения напряжения питания на аноде до определённой величины, которая зависит от его характеристик. Вот так можно описать, как работает тиристор для чайников.

Характеристики

К основным характеристикам можно отнести следующие:

Рассматриваемые элементы, кроме электронных ключей, часто применяются в регуляторах мощности, которые позволяют изменять подводимую к нагрузке мощность за счёт изменения среднего и действующего значений переменного тока. Величина тока регулируется изменением момента подачи на тиристор открывающего сигнала (за счёт варьирования угла открывания). Углом открытия (регулирования) называется время от начала полупериода до момента открытия тиристора.

Типы данных электронных компонентов

Существует немало различных типов тиристоров, но наиболее распространены, помимо тех что мы рассмотрели выше, следующие:

• динистор элемент, коммутация которого происходит при достижении определённого значения величины напряжения, приложенного между анодом и катодом;
• симистор;
• оптотиристор, коммутация которого осуществляется световым сигналом.

Симисторы

Хотелось бы более подробно остановиться на симисторах. Как говорилось ранее, тиристоры могут проводить ток только в одном направлении, поэтому при установке их в цепи переменного тока, такая схема регулирует один полупериод сетевого напряжения. Для регулирования обоих полупериодов необходимо установить встречно-параллельно ещё один тиристор либо применить специальные схемы с использованием мощных диодов или диодных мостов. Все это усложняет схему, делает её громоздкой и ненадёжной.

Вот для таких случаев и был изобретён симистор. Поговорим о нем и о принципе работы для чайников. Главное отличие симисторов от рассмотренных выше элементов заключается в способности пропускать ток в обоих направлениях. По сути, это два тиристора с общим управлением, подключённые встречно-параллельно (рисунок. 3 А).

Условное графическое обозначение этого электронного компонента показано на Рис. 3 В. Следует заметить, что называть силовые выводы анодом и катодом будет не корректно, так как ток может проводиться в любом направлении, поэтому их обозначают Т1 и Т2. Управляющий электрод обозначается G. Для того чтобы открыть симистор, необходимо подать управляющий сигнал на соответствующий вывод. Условия для перехода симистора из одного состояния в другое и обратно в сетях переменного тока не отличаются от способов управления, рассмотренных выше.

Применяется этот тип электронных компонентов в производственной сфере, бытовых устройствах и электроинструментах для плавного регулирования тока. Это управление электродвигателями, нагревательными элементами, зарядными устройствами.

В завершение хотелось бы сказать, что и тиристоры и симисторы, коммутируя значительные токи, обладают весьма скромными размерами, при этом на их корпусе выделяется значительная тепловая мощность. Проще говоря, они сильно греются, поэтому для защиты элементов от перегрева и теплового пробоя используют теплоотвод, который в простейшем случае представляет собой алюминиевый радиатор.

8 января 2013 в 19:23

• Электроника для начинающих

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод.
Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем.
Освежить память о p-n переходе можно .

Классификация

В зависимости от количества выводов можно вывести классификацию тиристоров. По сути все очень просто: тиристор с двумя выводами называется динисторами (соответственно имеет только анод и катод). Тиристор с тремя и четырьмя выводами, называются триодными или тетродными. Также бывают тиристоры и с большим количеством чередующихся полупроводниковых областей. Одним из самых интересных является симметричный тиристор (симистор), который включается при любой полярности напряжения.

Принцип работы

Обычно тиристор представляют в виде двух транзисторов, связанных между собой, каждый из которых работает в активном режиме.

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным.
Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику.

К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора.
При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2).
После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3).
В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

1. Напряжение включения — это минимальное анодное напряжение, при котором тиристор переходит во включенное состояние.
2. Прямое напряжение — это прямое падение напряжения при максимальном токе анода.
3. Обратное напряжение — это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии.
4. Максимально допустимый прямой ток — это максимальный ток в открытом состоянии.
5. Обратный ток — ток при максимальной обратном напряжении.
6. Максимальный ток управления электрода
7. Время задержки включения/выключения
8. Максимально допустимая рассеиваемая мощность

Заключение

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Тиристор — не полностью управляющий ключ. То есть перейдя в открытое состояние, он остается в нем даже если прекращать подавать сигнал на управляющий переход, если подается ток выше некоторой величины, то есть ток удержания.

Тиристор. Устройство, назначение.

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор с тремя p–n -переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями электрического равновесия: закрытым и открытым.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают три основных свойства тиристора:

1 тиристор, как и диод, проводит ток в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2 тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния.

3 управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из «закрытого» состояния в «открытое», значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;

Устройство и основные виды тиристоров

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n -структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n , содержащий три последовательно соединённых p-n -перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p -слою называется анодом, к внешнему n -слою — катодом. В общем случае p-n-p-n -прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором . Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как ихВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется такжесимистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов , часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Тиристоры, имеющие управляющий электрод, делятся на запираемые и незапираемые. Незапираемые тиристоры, как следует из названия, не могут быть переведены в закрытое состояние с помощью сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Такие тиристоры закрываются, когда протекающий через них ток становится меньше тока удержания. На практике это обычно происходит в конце полуволны сетевого напряжения.

Вольтамперная характеристика тиристора

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0-3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

6.3. Фазовое управление тиристора

6.3.1. Общие сведения

При фазовом способе управления на управляющий электрод тиристора подаются короткие импульсы напряжения, отпирающие тиристор в определенной точке полуволны приложенного напряжения. Запирается тиристор автоматически в момент перехода тока через ноль. Изменение точки (фазового угла) отпирания приводит к изменению среднего за полупериод значения тока нагрузки (рис. 6.3.1).

Рис. 6.3.1

В данной работе исследуется тиристорный регулятор выпрямления тока. Последовательно с нагрузкой, состоящей из лампы накаливания EL и добавочного резистора R₁, включен тиристор V₁, управляемый от генератора импульсов.

Генератор импульсов выполнен на однопереходном транзисторе VT. При подаче полуволны напряжения на анод запертого тиристора конденсатор C заряжается через сопротивления R₂, R_П и R₃. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения 0,7…0,8 U_СТ, транзистор открывается и конденсатор разряжается по цепи эмиттер – база – управляющий электрод – катод тиристора. Тиристор отпирается, создает цепь для протекания тока через нагрузку и одновременно шунтирует генератор импульсов. Индуктивность L служит для создания колебательного контура в цепи разряда конденсатора для более четкого запирания однопереходного транзистора. Скорость заряда конденсатора и, следовательно, задержка подачи отпирающего импульса по отношению к моменту подачи положительного напряжения на анод тиристора регулируется потенциометром R_П.

1. Экспериментальная часть Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь согласно схеме (рис. 6.3.2) и подайте на вход этой цепи синусоидальное напряжение 24 В, 50 Гц. Для измерения тока в цепи нагрузки и угла задержки отпирания тиристора включите виртуальные приборы V0, A1 и виртуальный осциллограф. Не забудьте установить род измеряемой величины – «среднее значение».

Рис. 6.3.2

• Включите блок генераторов напряжений, настройте осциллограф и, вращая ручку потенциометра, убедитесь, что регулируется угол задержки отпирания тиристора и среднее значение выпрямленного тока.

• При одном из положений потенциометра перерисуйте кривые выпрямленных напряжения и тока на рис. 6.3.3. Определите и запишите масштабы.

m_U = … В/дел; m_I = … мА/дел; m_α = … град/дел

Рис. 6.3.3

• Изменяя угол задержки отпирания от минимально возможного значения до максимального, снимите зависимость I_H(α), занесите результаты измерений в табл. 6.3.1 и на рис. 6.3.4 постройте график.

Примечание: для уменьшения минимально возможного угла α замените конденсатор С = 0,47 мкФ на 0,1 мкФ.

I_Н

Рис. 6.3.4

Таблица 6.3.1

,	18	36	72	108	144	180
IН, мА

Контрольные вопросы

1. Какова величина напряжения отпирания симистора (по рис. 6.1.5)?

2. Каковы величины дифференциального сопротивления симистора в запертом состоянии и отпертом состояниях при токе 2…3 мА?

3. Какие причины «заставляют» симистор вернуться к запертому состоянию?

4. Запирается ли отпертый тиристор, когда отключается напряжение цепи управляющий электрод ¤ катод?

5. Что случится с отпертым тиристором при размыкании выключателя в цепи (рис. 6.2.2), если U_УК > U_ОТП? Если U_ЭК < U_ОТП?

6. Как поведет себя тиристор, если к цепи (рис. 6.2.2) вместо постоянного напряжения приложить синусоидальное напряжение при U_УК > U_ОТП? при U_УК < U_ОТП?

7. Что произойдет с отпертым тиристором при его кратковременном шунтировании перемычкой в цепи (рис. 6.2.2), если U_УК > U_ОТП? Если U_УК < U_ОТП?

8. Какие свойства проявляет тиристор, работая при измененной на противоположную полярности напряжений?

9. Как изменяется ток нагрузки при увеличении угла отпирания тиристора?

Интеллектуальный тиристорный регулятор для электрического наддува

Интеллектуальный тиристорный регулятор для электрического наддува | Eurotherm by Schneider Electric

Добро пожаловать на сайт US

Мы обнаружили, что вы можете предпочесть сайт RU. При необходимости используйте раскрывающийся список языков выше, чтобы изменить свой выбор.

Оставайтесь на этой территории

Опубликовано в Glass Worldwide, 2012

Существует много способов управления электрической мощностью системы повышения давления печи.До того, как стали доступны переменные трансформаторы большой мощности, использовались многоотводные трансформаторы (рис. 1). С помощью этих трансформаторов мощность можно было регулировать только в несколько фиксированных и заранее определенных шагов, и во многих из этих применений первичное высокое напряжение трансформатора должно было быть отключено до того, как можно было переключить вторичные отводы. Это приводило к нежелательному износу коммутационного устройства высокого напряжения и, в конечном итоге, к нежелательному прерыванию повышения напряжения из-за необходимого обслуживания коммутационного устройства.

Отрицательные эффекты управления мощностью, вызванные колебаниями входящей мощности, трудно контролировать с помощью таких систем, и поэтому эти колебания входящей линии могут иметь прямое и относительно быстрое и неконтролируемое влияние на температуру стекла.

Чаще всего сегодня устанавливаются регулируемые трансформаторы большой мощности (Рисунок 2). Основное преимущество этих трансформаторов заключается в том, что они способны непрерывно подавать регулируемую мощность на повышающие электроды. Эти трансформаторы способны контролировать колебания входящей линии электропередачи и легко адаптируются к (усовершенствованным) стратегиям управления печью. Основным недостатком является то, что скользящие проволоки подвержены износу, особенно в тех случаях, когда они используются для контроля постоянных колебаний входящей линии или для контроля температуры стекла используется система повышения давления.

Ремонт механических частей таких трансформаторов дорог и требует много времени. Поскольку они обычно заполнены маслом, их также необходимо размещать в специально оборудованном помещении, которое в большинстве случаев находится слишком близко к печи. Следовательно, такая схема системы повышения должна иметь длинную и дорогостоящую проводку электродов или шины, приводящие к нежелательным резистивным и индуктивным потерям мощности. Мы также должны учитывать, что современные регулируемые трансформаторы часто имеют масляно-водяные теплообменники и должны рассматриваться как системы повышения давления с водяным охлаждением.

Одновременно стали доступны мощные кремниевые выпрямительные системы, и эти системы также нашли свое применение в системах управления наддува печи (рис. 3). Основными преимуществами систем, управляемых с помощью SCR (Silicon Controlled Rectifier), являются, конечно, то, что они основаны на твердотельной технологии и не имеют признаков износа, что они постоянно контролируются и что они способны очень точно определять мощность, напряжение или ток. контроль. Тиристорная часть (элемент высокой мощности) этих контроллеров в основном осталась прежней, однако новейшая цифровая микроэлектроника взяла на себя часть, которая управляет этими тиристорами, обеспечивая новые способы управления, общее повышение эффективности системы и повышенную точность.

Конструкция повышения на основе бесступенчатого трансформатора под нагрузкой

В связи с тем, что бесступенчатые трансформаторы заполнены маслом, они должны располагаться вне здания в специально спроектированном и утвержденном здании (Рисунок 4). Следовательно, расстояние между трансформатором и печью относительно велико.

Бесступенчатый трансформатор преобразует входящее высокое линейное напряжение непосредственно в повышающий электрод с максимальным напряжением 200 В переменного тока (для стеклянных контейнеров).Чтобы подать на печь достаточную мощность, ток, протекающий между электродами и трансформаторами, относительно велик. В соответствии с законом Ома и при условии, что в одной зоне повышения подается в среднем 400 кВА, ток, проходящий через трансформатор, кабели / шину и электроды, составит 2000 А.

Потери в кабеле / ​​сборной шине будут P = I2.R, таким образом, удвоение тока приведет к четырехкратному увеличению потерь в кабеле / ​​сборной шине, и наоборот, таким образом, 1/2 тока равняется потерям мощности в кабеле / ​​сборной шине.Другой отрицательный побочный эффект заключается в том, что трудно достичь оптимального пути кабеля / сборной шины, поддерживать как можно более низкую индуктивность контура, потому что расположение трансформатора, а также положения электродов являются фиксированными. Либо конструкция кабеля / сборной шины становится очень сложной и дорогой, либо конструкция проста и дешева, и потенциальные потери энергии на протяжении всей кампании по печи считаются само собой разумеющимся.

Конструкция с двойным трансформатором и повышающим напряжением, управляемым тиристором

Из конструкции с одним бесступенчатым трансформатором мы узнали, что эффективность такой повышающей системы страдает от высоких токов при относительно низких напряжениях.Даже дорогая и улучшенная конструкция кабеля / сборной шины вызовет относительно высокие индуктивности, что приведет к нежелательному генерированию реактивной мощности. Эту реактивную мощность следует рассматривать как потерю мощности, поскольку она не вносит вклад в энергию, которую система способна добавить к расплаву стекла. Тем не менее, с нас будет взиматься плата как за реальную, так и за реактивную мощность. Реактивная мощность системы будет составлять более высокий заряд общей мощности и более высокий заряд пиковой нагрузки в системе. Поскольку система должна учитывать более высокое вторичное напряжение на трансформаторе с большой работой шины, соотношение витков (вторичное напряжение = первичное напряжение / соотношение витков) будет ниже, что приведет к необходимости увеличения первичного тока при более низком коэффициенте мощности в заявление.Конечно, входящее высокое линейное напряжение и максимальное напряжение электрода нельзя изменить, поэтому единственное решение, которое можно обойти эти два фиксированных значения, — это запустить систему управления повышением на максимально возможное напряжение и понизить это напряжение до желаемого напряжения на повышающем электроде как можно ближе к электродам. Другими словами, избегайте протекания высоких токов через кабели / шины как можно дольше. (Рисунок 5)

Этого можно достичь только за счет использования конструкции с двумя трансформаторами и размещения второго трансформатора как можно ближе к повышающим электродам ( Рисунки 6 и 7).Контроллеры Invensys / Eurotherm SCR предназначены для управления 690 В переменного тока, поэтому рекомендуется использовать понижающий линейный трансформатор с воздушным охлаждением для снижения входящего сетевого напряжения до 500 В. Контроллер SCR подает свою мощность при высоком напряжении (500 В) на трансформатор с водяным охлаждением, расположенный как можно ближе к повышающим электродам, где напряжение преобразуется до желаемого напряжения на электродах 200 В. Таким образом, ток на большие расстояния уменьшается в 2,5 раза, а потери в кабеле — в 6 раз.25x.

Управление тиристором

Сжигание по углу фазы обычно снижает коэффициент мощности, одновременно увеличивая гармоники и электрические помехи.
При срабатывании по фазе коэффициент мощности быстро уменьшается с увеличением выходной мощности. При мощности 50% коэффициент мощности составляет всего 0,7. При мощности 25% тот же коэффициент мощности снижается еще больше до 0,5. Более того, срабатывание по углу фазы создает в сети всевозможные помехи, такие как гармоники, радиопомехи, потери в линии, потери энергии (реактивная мощность или кВАр) и перегрев трансформатора.Конечный пользователь в конечном итоге будет вынужден увеличить мощность своего оборудования, чтобы компенсировать эти помехи, например, путем установки активных или пассивных систем, таких как дорогостоящие конденсаторы.

Улучшенное управление тиристором

Чтобы преодолеть эти проблемы и воспользоваться преимуществами твердотельной системы повышения напряжения с двумя трансформаторами, мы ввели переключение ответвлений нагрузки. Это обеспечивает эффективный способ увеличения коэффициента мощности энергосистемы, управляемой тиристором.Автоматическая система LTC может использоваться как в режиме фазового угла, так и в режиме серийной стрельбы. Путем добавления нескольких ответвлений к трансформатору с выделенным SCR для каждого ответвления вместе с перекрывающимися порядками зажигания системы могут работать с повышенным коэффициентом мощности в гораздо большем диапазоне при использовании зажигания с фазовым углом. На рисунках 8 и 9 показаны одинаковые значения выходной мощности. Система переключения ответвлений нагрузки достигает коэффициента мощности 0,92 при 40% мощности, в то время как одиночная система SCR все еще работает 0.62. Гармонические искажения также уменьшаются с помощью LTC, что также способствует снижению реактивной мощности и, следовательно, повышению эффективности.

Преимущества многозонной системы повышения напряжения

В системе повышения напряжения с двойным трансформатором, управляемой тиристором, мы стараемся использовать как можно больше относительно небольших подсистем. Фактически, мы рекомендуем использовать отдельные подсистемы для каждой пары электродов, которые обычно способны подавать в печь 300-400 кВА * 3. Эти подсистемы могут быть полностью стандартизированы и всегда (и на каждом объекте) будут использовать одно и то же промежуточное напряжение, подаваемое высоковольтным понижающим трансформатором, который адаптирует всю систему повышения напряжения к входящему линейному напряжению.Адаптация напряжения в зоне повышения и настройка ответвлений LTC будет обеспечиваться несколькими ответвлениями первичной обмотки на повышающем трансформаторе. Такая стандартная компоновка системы снизит затраты на проектирование, запасные части и общую стоимость системы (Рисунок 10).

Что касается зон с несколькими усиливающими электродами, то управляемая мощность на каждой паре электродов делает всю систему повышения напряжения более гибкой и позволяет избежать горячих точек, особенно в так называемых зонах повышения барьера, в которых несколько электродов выстроены в линию для улучшения очистки за счет подачи энергии. стеклянные контуры потока (см. рисунки 11 и 12).

Горячие точки могут возникать, когда все электроды питаются от одной фазы, зоны и / или шины. Автоматически электроды, расположенные в самой горячей части зоны, будут иметь самое низкое сопротивление и, следовательно, будут вводить большую мощность по сравнению с электродами, которые работают в более холодной части зоны. Большая мощность приведет к увеличению температуры той части зоны, которая уже работает с более высокой температурой, и, следовательно, становится трудно контролировать всю систему повышения барьера.Несколько небольших энергосистем, управляющих только двумя электродами, легче контролировать, и они способны передавать большую часть мощности в наиболее холодную часть зоны.

Трансформаторы с водяным охлаждением

Трансформаторы с водяным охлаждением дают системе несколько преимуществ. Номинальная температура окружающей среды для трансформатора — это температура поступающей воды (обычно 30 ° C), позволяющая размещать трансформаторы ближе к печи, чем блок с воздушным охлаждением.Расход воды низкий (от 1 до 6 галлонов в минуту для однофазной установки) с небольшим перепадом давления, который обычно можно подключить последовательно с другими компонентами существующей системы водоснабжения. Обычно трансформатор с водяным охлаждением будет значительно меньше, чем трансформатор с воздушным охлаждением аналогичного номинала, что позволяет размещать его в местах, недоступных для устройств с воздушным охлаждением. Трансформаторы с водяным охлаждением полностью герметизированы эпоксидной смолой, что позволяет размещать их в местах с высоким содержанием пыли и предотвращает случайное попадание мусора на обмотки и выход из строя.Конструкция с водяным охлаждением не должна допускать воздушных зазоров в системе для охлаждения, что означает меньшее индуктивное реактивное сопротивление в трансформаторе.

Выводы

Множественные зоны, контролируемые SCR повышающие системы имеют множество преимуществ:

• Не требуется масляного охлаждения трансформаторов
• Используется стандартный понижающий трансформатор линии, который можно приобрести на месте
• Стандартизация контроллера мощности SCR независимо от входящего сетевого напряжения
• Стандартизация трансформаторов зоны повышения с воздушным или водяным охлаждением
• Снижение затрат на кабели / сборные шины
• Полностью твердотельная конструкция, отсутствие движущихся частей, отсутствие износа и минимальное техническое обслуживание.Система рассчитана на срок службы более одной печи
• В маловероятном случае отказа будет потеряна только часть системы наддува и только часть общей мощности наддува
• Из-за стандартизации запасные части могут быть поставлены на склад для обслуживания несколько площадок
• Гибкая конструкция подходит практически для любой местной ситуации
• Высокая эффективность за счет высокого напряжения и низких токов
• Избегает горячих точек и улучшает управляемость
• Повышенная эффективность за счет более низких токов в системе

Об авторах:

Рене Меулеман (René Meuleman) — технический менеджер по глобальному стекольному бизнесу Invensys Operations Management.

Стэнли Ф. Рутковски (Stanley F. Rutkowski) — старший инженер по применению в RoMan Manufacturing.

Файлы cookie и конфиденциальность

Наш веб-сайт использует файлы cookie, предоставленные нами и третьими сторонами. Некоторые файлы cookie необходимы для работы веб-сайта, в то время как другие могут быть изменены вами в любое время, в частности, те, которые позволяют нам понять производительность нашего веб-сайта, предоставляют вам функции социальных сетей и улучшают работу с соответствующим контентом и Реклама.Вы можете принять их все или задать предпочтения.

Принять все

Отклонить все

Необходимые файлы cookie

Необходимые файлы cookie необходимы для правильной работы нашего веб-сайта и не могут быть отключены. Они отправляются на ваш компьютер или устройство, когда вы запрашиваете определенное действие или услугу, например при входе в систему, заполнении формы или настройке файлов cookie. Если вы настроите свой браузер на блокировку или предупреждение об этих файлах cookie, некоторые части нашего веб-сайта не будут работать.

Сохранить настройки

Что такое тиристор? Типы тиристоров и их применение

Что такое тиристор? Типы тиристоров и их применение

Тиристоры — интересный класс полупроводниковых приборов. Они имеют аналогичные характеристики с другими твердотельными компонентами из кремния, такими как диоды и транзисторы. Поэтому отличить тиристоры от диодов и транзисторов может быть сложно. Чтобы усложнить задачу, на рынке доступны различные типы тиристоров.

В некоторых случаях то, что отличает тиристоры друг от друга, может быть всего лишь крошечной деталью.

Также, в зависимости от производителя, данный тиристор может называться другим именем.

Для успешного применения тиристоров при проектировании схем важно знать их уникальные характеристики, ограничения и их взаимосвязь со схемой. Вот почему мы потратили некоторое время на то, чтобы разобраться во всем этом, чтобы вы могли лучше понять, какой тиристор лучше всего подходит для вашего приложения.

Что такое тиристор?

Тиристор — это четырехслойный прибор с чередующимися полупроводниками P-типа и N-типа (P-N-P-N).

В своей основной форме тиристор имеет три вывода: анод (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор (контрольный вывод). Затвор контролирует поток тока между анодом и катодом.

Основная функция тиристора — регулировать электрическую мощность и ток, действуя как переключатель.Для такого небольшого и легкого компонента он обеспечивает адекватную защиту цепей с большими напряжениями и токами (до 6000 В, 4500 А).

Он привлекателен в качестве выпрямителя, поскольку может быстро переключаться из состояния проводимости тока в состояние непроводимости.

Кроме того, его стоимость обслуживания невысока, и при правильной эксплуатации он остается работоспособным в течение длительного времени без возникновения неисправностей.

Тиристоры используются в самых разных электрических цепях, от простых охранных сигнализаций до линий электропередачи.

Как работают тиристоры?

Тиристор со структурой P-N-P-N имеет три перехода: PN, NP и PN. Если анод является положительным выводом по отношению к катоду, внешние переходы, PN и PN смещены в прямом направлении, а центральный переход NP с обратным смещением. Следовательно, переход NP блокирует прохождение положительного тока от анода к катоду. Говорят, что тиристор находится в состоянии прямой блокировки . Точно так же прохождение отрицательного тока блокируется внешними PN-переходами.Тиристор находится в состоянии обратной блокировки .

Еще одно состояние, в котором может находиться тиристор, — это состояние прямой проводимости , при котором он получает сигнал, достаточный для включения, и начинает проводить.

Давайте на минутку выделим уникальные свойства, которые тиристоры привносят в схему, углубившись в природу сигнала и отклик тиристора.

Щелкните здесь, чтобы купить тиристоры или другие устройства защиты цепей от MDE Semiconductor.

Наши двухконтактные тиристоры серии P разработаны для телекоммуникационной отрасли. Эти продукты обеспечивают защиту в соответствии с FCC Part 68, UL 1459, Bellcore 1089. ITU-TK, 20 & K. 21

MDE Semiconductor уделяет особое внимание решениям по защите цепей.

Краткое описание включения тиристора

Когда на вывод затвора подается достаточный положительный сигнальный ток или импульс, он переводит тиристор в проводящее состояние.Ток течет от анода к катоду и будет продолжать течь, даже когда сигнал затвора удален. Говорят, что тиристор «зафиксирован».

Чтобы разблокировать тиристор, необходимо выполнить сброс схемы путем уменьшения анодно-катодного тока ниже порогового значения, известного как ток удержания.

Включение тиристора на уровне полупроводникового материала

Структура PNPN тиристора может быть интерпретирована как два транзистора, соединенные вместе.То есть ток коллектора от транзистора NPN питает базу транзистора PNP. Точно так же ток коллектора от транзистора PNP питает базу транзистора NPN.

Для фиксации тиристора и начала проведения тока сумма общей базы

коэффициенты усиления по току двух транзисторов должны превышать единицу.

Когда на затвор подается положительный ток или кратковременный импульс, который в достаточной степени увеличивает коэффициент усиления контура до единицы, происходит регенерация.Это означает, что импульс заставляет транзистор NPN проводить ток, который, в свою очередь, смещает транзистор PNP в проводимость. Если

начальный пусковой ток на затворе удаляется, тиристор остается во включенном состоянии, пока ток через тиристор достаточно высок, чтобы соответствовать критериям единичного усиления. Это ток фиксации .

Тиристор может включиться также из-за лавинного пробоя блокирующего перехода.Чтобы тиристор включился при нулевом токе затвора, приложенный ток должен достигнуть напряжения отключения тиристора. Это нежелательно, так как поломка приводит к повреждению устройства. Для нормальной работы тиристор выбирается таким образом, чтобы его напряжение отключения было больше, чем наибольшее напряжение, которое будет испытываться от источника питания. Таким образом, включение тиристора может произойти только после того, как на затвор будет подан преднамеренный импульс, за исключением случаев, когда тиристор специально разработан для работы в режиме отключения.(См. Типы тиристоров с возможностью управляемого отключения ниже).

Тиристор выключения

Чтобы выключить тиристор, который зафиксирован (включен / включен), ток через него должен измениться так, чтобы коэффициент усиления контура был ниже единицы. Выключение начинается, когда ток снижается ниже значения тока удержания.

Тиристоры различных типов и их применение

Тиристоры

можно классифицировать в зависимости от характера их поведения при включении и выключении, а также их характеристик напряжения и тока: Различные классы:

1. Тиристоры с возможностью включения (однонаправленное управление)
2. Тиристоры с возможностью отключения (однонаправленное управление)
3. Двунаправленное управление

1. Тиристоры с возможностью включения (однонаправленное управление)

1. Кремниевый выпрямитель (SCR)

SCR — наиболее известные тиристоры.Как объяснено в общем описании тиристоров выше, тиристор остается включенным, даже когда ток затвора снят. Чтобы разблокировать, необходимо снять ток между анодом и катодом или сбросить анод до отрицательного напряжения относительно катода. Эта характеристика идеальна для регулирования фазы. Когда анодный ток становится равным нулю, тиристор перестает проводить и блокирует обратное напряжение.

SCR используются в схемах переключения, приводах двигателей постоянного тока, статических переключателях переменного / постоянного тока и инвертирующих схемах.

2. Тиристор обратного тока (RCT)

Тиристоры обычно пропускают ток только в прямом направлении, но блокируют токи в обратном направлении. Однако RCT состоит из SCR, интегрированного с обратным диодом, который устраняет нежелательную индуктивность контура и снижает переходные процессы обратного напряжения. RCT обеспечивает электрическую проводимость в обратном направлении с улучшенной коммутацией.

RCT используются в инверторах и приводах постоянного тока для мощных прерывателей.

3. Светоактивированный кремниевый выпрямитель (LASCR)

Они также известны как тиристоры с управляемым светом (LTT). Для этих устройств, когда легкие частицы попадают на обратносмещенный переход, количество электронно-дырочных пар в тиристоре увеличивается. Если сила света больше критического значения, тиристор включится. LASCR обеспечивает полную электрическую изоляцию между источником света и переключающим устройством преобразователя мощности.

LASCR используются в передающем оборудовании HVDC, компенсаторах реактивной мощности и генераторах импульсов большой мощности.

1. Тиристоры с возможностью отключения (однонаправленное управление)

Традиционные тиристоры, такие как тиристоры, включаются при подаче достаточного количества управляющего импульса. Чтобы выключить их, необходимо отключить главный ток. Это неудобно в схемах преобразования постоянного тока в переменный и постоянного в постоянный, где ток, естественно, не становится нулевым.

1. Затвор запорный тиристор (ГТО)

GTO отличается от стандартного тиристора тем, что его можно отключить, подав отрицательный ток (напряжение) на затвор, не требуя снятия тока между анодом и катодом (принудительная коммутация). Это означает, что GTO можно выключить стробирующим сигналом с отрицательной полярностью, что делает его полностью управляемым переключателем. Его также называют коммутатором, управляемым воротами, или GCS. Время выключения GTO примерно в десять раз меньше, чем у эквивалентного SCR.

GTO

с возможностью обратной блокировки, сравнимой с их номинальным напряжением в прямом направлении, называются симметричными GTO. Асимметричные GTO не обладают значительной возможностью блокировки обратного напряжения. GTO с обратной проводкой состоят из GTO, интегрированного с встречно-параллельным диодом. Асимметричные GTO — самая популярная разновидность на рынке.

GTO используются в приводах двигателей постоянного и переменного тока, мощных инверторах и стабилизаторах переменного тока.

2. МОП отключающий тиристор (МТО)

MTO представляет собой комбинацию GTO и MOSFET для улучшения отключающей способности GTO.GTO требует подачи большого тока отключения затвора, пиковая амплитуда которого составляет около 20-35% анодно-катодного тока (ток, который необходимо контролировать). MTO имеет два управляющих терминала, затвор включения и затвор выключения, также называемый затвором MOSFET.

Чтобы включить MTO, приложенный импульс затвора достаточной величины вызывает фиксацию тиристора (аналогично SCR и GTO).

Для выключения MTO на затвор полевого МОП-транзистора подается импульс напряжения.MOSFET включается, замыкая эмиттер и базу NPN-транзистора, тем самым останавливая фиксацию. Это гораздо более быстрый процесс, чем GTO (примерно 1-2 мкс), и в этом случае большой отрицательный импульс, приложенный к затвору GTO, направлен на извлечение достаточного тока из базы NPN-транзистора. Кроме того, более быстрое время (MTO) устраняет потери, связанные с текущей передачей.

MTO используются в высоковольтных системах до 20 МВА, моторных приводах, гибких линиях передачи переменного тока (FACT) и инверторах источников напряжения для высокой мощности.

3. Эмиттер отключающих тиристоров (ЭТО)

Как и MTO, ETO имеет два вывода, нормальный затвор и второй затвор, соединенные последовательно с полевым МОП-транзистором.

Чтобы включить ETO, на оба логических элемента подается положительное напряжение, что приводит к включению NMOS и выключению PMOS. Когда в нормальный затвор подается положительный ток, ETO включается.

Для выключения, когда на затвор полевого МОП-транзистора подается сигнал отрицательного напряжения, NMOS отключается и передает весь ток от катода.Процесс фиксации останавливается, и ETO выключается.

ETO

применяются в инверторах источников напряжения для высокой мощности, гибких линиях передачи переменного тока (FACT) и статических синхронных компенсаторах (STATCOM).

1. Двунаправленное управление

Обсуждаемые до сих пор тиристоры были однонаправленными и используются в качестве выпрямителей, преобразователей постоянного тока в постоянный и инверторов. Чтобы использовать эти тиристоры для управления напряжением переменного тока, два тиристора необходимо соединить встречно параллельно, в результате чего получатся две отдельные схемы управления, которые потребуют большего количества проводных соединений.Двунаправленные тиристоры, которые могут проводить ток в обоих направлениях при срабатывании триггера, были разработаны специально для решения этой проблемы.

1. Триод переменного тока (TRIAC)

Тиристоры

— вторые по распространенности тиристоры после тиристоров. Они могут управлять обеими половинами переменного сигнала, тем самым более эффективно используя доступную мощность. Однако симметричные преобразователи частоты обычно используются только для приложений с низким энергопотреблением из-за присущей им несимметричной конструкции.В приложениях с высокой мощностью симисторы имеют некоторые недостатки при переключении при разных напряжениях затвора в течение каждого полупериода. Это создает дополнительные гармоники, которые вызывают дисбаланс в системе и влияют на характеристики ЭМС.

Маломощные триаки используются в качестве регуляторов света, регуляторов скорости для электрических вентиляторов и других электродвигателей, а также в компьютерных схемах управления бытовой техникой.

2. Диод переменного тока (DIAC)

DIACS — это устройства с низким энергопотреблением, которые в основном используются вместе с TRIACS (размещены последовательно с выводом затвора TRIAC).

Так как TRIAC по своей природе несимметричны, DIAC предотвращает прохождение любого тока через затвор TRIAC до тех пор, пока DIAC не достигнет своего триггерного напряжения в любом направлении. Это гарантирует, что TRIACS, используемые в переключателях переменного тока, срабатывают равномерно в любом направлении.

DIAC используются в диммерах для ламп.

3. Кремниевый диод переменного тока (SIDAC)

SIDAC электрически ведет себя так же, как DIAC.Основное различие между ними состоит в том, что SIDAC имеют более высокое напряжение отключения и большую мощность, чем DIAC. SIDAC — это пятиуровневое устройство, которое можно использовать непосредственно в качестве переключателя, а не в качестве триггера для другого коммутационного устройства (например, DIAC для TRIACS).

Если приложенное напряжение соответствует или превышает напряжение отключения, SIDAC начинает проводить ток. Он остается в этом проводящем состоянии даже при изменении приложенного напряжения до тех пор, пока ток не станет ниже его номинального тока удержания.SIDAC возвращается в непроводящее состояние, чтобы повторить цикл.

SIDAC используются в релаксационных генераторах и других устройствах специального назначения.

Щелкните здесь, чтобы купить тиристоры или другие устройства защиты цепей от MDE Semiconductor.

Наши двухконтактные тиристоры серии P разработаны для телекоммуникационной отрасли. Эти продукты обеспечивают защиту в соответствии с FCC Part 68, UL 1459, Bellcore 1089.ITU-TK, 20 и K. 21

Как работают тиристоры? | Сравнение тиристоров и транзисторов

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 29 мая 2021 г.

Транзисторы — крошечные электронные компоненты которые изменили мир: вы найдете их в все от калькуляторов и компьютеры для телефоны, радио и слуховые аппараты. Они удивительно универсальны, но это не значит, что они могут все. Хотя мы можем использовать их для включения крошечных электрических токов и выключено (это основной принцип компьютерной памяти), и преобразовать малые токи в несколько большие (вот как усилитель работает), они не очень полезны в обращении гораздо большие токи.Еще один недостаток в том, что они отключаются сразу после снятия тока переключения, что означает они не так полезны в устройствах, таких как будильники, где вы хотите цепь для срабатывания и остается включенной неопределенно долго. Для такого рода работ мы можем обратиться к похожему электронному компоненту, называемому тиристор, имеющий общие черты с диоды, резисторы, и транзисторы. Триристоры довольно легко понять, хотя большинство объяснений, которые вы найдете в Интернете, излишне сложный и часто невероятно запутанный.Итак, это наш старт точка: давайте посмотрим, сможем ли мы ясно и просто взглянуть на то, что тиристоры, как они работают и какие вещи, для которых мы можем их использовать!

Изображение: Типичный тиристор немного похож на транзистор — и работает в близкородственный способ.

Что такое тиристоры?

Во-первых, давайте разберемся с терминологией. Некоторые люди используйте термин кремниевый выпрямитель (SCR) взаимозаменяемо с «тиристором». Фактически, кремниевый выпрямитель — это торговая марка, которую компания General Electric представила опишите один конкретный тип тиристора, который он сделал.Есть различные другие типы тиристоров (в том числе так называемые диаки и симисторы, которые предназначены для работы с переменным током), поэтому условия не полностью синоним. Тем не менее, эта статья о хранении вещей простой, поэтому поговорим о тиристорах в самом общем виде термины и предполагают, что SCR — это одно и то же. Мы будем называть их тиристорами.

Фото: Тиристоры широко используются в электронных схемах управления мощностью, подобных этому.

Три соединения

Так что же такое тиристор? Это электронный компонент с тремя выводами, называемый анодом (положительный вывод), катод (отрицательный вывод) и затвор. Это несколько аналогичные к трем выводам транзистора, которые, как вы помните, называются эмиттер, коллектор и база (для обычного транзистора) или исток, сток и затвор (в полевом транзисторе или FET). В обычном транзисторе один из трех выводов (база) действует как элемент управления, который регулирует, сколько тока течет между другими два отведения.То же самое и с тиристором: затвор управляет ток, протекающий между анодом и катодом. (Стоит отметить, что можно получить триисторы с двумя или четырьмя выводами, а также с тремя выводами. Но мы сохраняем здесь все просто, поэтому мы просто поговорим о наиболее распространенной разновидности.)

Сравнение транзисторов и тиристоров

Если транзистор и тиристор выполняют одну и ту же работу, какая между ними разница? С транзистором, когда маленький ток течет в базу, это делает больший ток между эмиттер и коллектор.Другими словами, он действует как переключатель и усилитель одновременно:

Как работает транзистор: небольшой ток, протекающий в базу, вызывает больший ток между эмиттером и коллектором. Это транзистор n-p-n с красным, обозначающим кремний n-типа, синим, обозначающим p-тип, черными точками, представляющими электроны, и белыми точками, обозначающими дырки.

То же самое происходит внутри полевого транзистора, за исключением того, что мы прикладываем небольшое напряжение к затвору, чтобы произвести электрическое поле, которое помогает току течь от источника к осушать.Если мы удалим небольшой ток в базе (или затворе), большой ток немедленно перестает течь от эмиттера к коллектору (или от истока к стоку в полевом транзисторе).

Часто это не то, чего мы хотим. В что-то вроде цепи охранной сигнализации (где, возможно, злоумышленник наступает на нажимную подушечку и колокольчики начинают звенеть), мы хотим, чтобы небольшой ток (активируется нажимной подушечкой) для отключения большего ток (звон колокольчиков) и чтобы больший ток продолжал течь даже когда меньший ток прекращается (так что колокола все еще звонят, даже если наш незадачливый злоумышленник осознает свою ошибку и отходит от площадки).В тиристоре это именно то, что происходит. Небольшой ток на затворе вызывает много больший ток между анодом и катодом. Но даже если мы тогда удалите ток затвора, больший ток продолжает течь из анод к катоду. Другими словами, тиристор остается («защелкивается») включенным. и остается в этом состоянии до тех пор, пока схема не будет перезагружена.

Там, где транзистор обычно имеет дело с крошечными электронными токи (миллиампер) тиристор выдерживает настоящие (электрические) силовые токи (обычно несколько сотен вольт и 5–10 ампер).Вот почему мы можем использовать их в таких вещах, как заводские выключатели питания, регуляторы скорости электродвигателей, бытовые диммеры, выключатели зажигания автомобилей, сетевые фильтры и термостаты. Время переключения практически мгновенно (измеряется в микросекундах), и эта полезная функция, в сочетании с отсутствием движущихся частей и высокой надежностью, поэтому часто используются тиристоры. как электронные (твердотельные) версии реле (переключатели электромагнитные).

Как работает тиристор?

Тиристоры являются логическим продолжением диодов и транзисторы, поэтому давайте кратко рассмотрим эти компоненты.Если вы не знакомы с твердотельной электроникой, у нас больше и более четкие объяснения того, как работают диоды и и как работают транзисторы, которую вы, возможно, захотите прочитать в первую очередь.

А тиристор как два диода

Напомним, что диод — это два слоя полупроводника. (p-тип и n-тип) зажаты вместе, чтобы создать соединение где происходят интересные вещи. В зависимости от того, как вы подключаете диод, ток либо будет течь через него, либо нет, что делает его электронный эквивалент улицы с односторонним движением.С положительной связью к p-типу (синий) и отрицательному соединению к n-типу (красный) диод смещение вперед, поэтому электроны (черные точки) и дыры (белые точки) перемещаются к счастью через переход и нормальный ток течет:

Диод с прямым смещением: через переход между p-типом (синий) и n-типом (красный) протекает ток, переносимый электронами (черные точки) и дырками (белые точки).

В противоположной конфигурации, с плюсовым подключением к n-типу и отрицательный к p-типу, диод имеет обратное смещение: соединение становится огромной пропастью, которую электроны и дырки не могут пересечь и нет тока:

Диод с обратным смещением: при обратном подключении батареи «зона истощения» на переходе становится шире, поэтому ток не течет.

В транзисторе мы имеем три слоя полупроводника, расположенных поочередно (либо p-n-p, либо n-p-n), что дает два перекрестка, где могут происходить интересные вещи. (Полевой транзистор немного разные, с дополнительными слоями металла и оксида, но все же по сути, бутерброд n-p-n или p-n-p.). Тиристор — это просто следующий шаг в последовательность: четыре слоя полупроводника, снова расположенные поочередно дайте нам p-n-p-n (или n-p-n-p, если вы поменяете местами) с тремя переходы между ними. Анод соединяется с внешним слоем p, катод к внешнему n слою, а затвор к внутреннему p слой, например:

Тиристор похож на два соединенных диода, соединенных вместе, но с дополнительным подключением к одному из внутренних слоев — «затвору».«

Вы можете видеть, что это напоминает два соединительных диода, соединенных последовательно, но с дополнительным соединением затвора внизу. Тиристор, как и диод, является выпрямителем: он проводит только в одном направлении. Вы не можете сделать тиристор, просто подключив два диода последовательно: дополнительное соединение затвора означает, что это еще не все. Если вы хорошо знакомы с электроникой, вы заметите сходство между тиристором и диодом Шокли (своего рода двойной диод с четыре чередующихся полупроводниковых слоя, изобретенные пионером транзисторов Уильямом Шокли в 1956 г.).Тиристоры произошли от работы транзисторов и диодов Шокли, который был разработан Джуэллом Джеймсом Эберсом, кто разработал двухтранзисторную модель, о которой мы расскажем дальше.

Иллюстрации: General Electric представила первый коммерчески успешный тиристор (тогда называемый кремниевым выпрямителем) в июле 1957 года благодаря усилиям Роберта Холла, Ника Холоньяка, Ф. В. «Билла» Гуцвиллера, и другие. Это базовая иллюстрация тиристора из одного из патентов Билла Гуцвиллера.Работа от Патент США 3040270: Схема выпрямителя с кремниевым управлением, включая генератор переменной частоты, предоставлена ​​Бюро патентов и товарных знаков США.

Тиристор как два транзистора

Менее очевидно то, что четыре слоя работают как два транзисторы (n-p-n и p-n-p), которые соединены вместе, так что выход из одного формирует вход в другой. Ворота служат как своего рода «стартер» для их активации.

Тиристор также похож на два транзистора, соединенных вместе, поэтому выход каждого из них служит входом для другого.

Три состояния тиристора

Так как же это работает? Мы можем перевести его в три возможных состояния, во всех трех из которых он либо полностью выключен, либо полностью включен, что означает, что это, по сути, двоичное цифровое устройство. Чтобы понять, как работают эти состояния, полезно помнить о диодах и транзисторах:

Прямая блокировка

Обычно, когда ток не течет в затвор, тиристор выключен: ток не может течь из затвора. анод к катоду.Почему? Представьте тиристор как два соединенных диода. все вместе. Верхний и нижний диоды смещены в прямом направлении. Однако это означает, что соединение в центре имеет обратное смещение, поэтому ток не может пройти весь путь сверху вниз. Это состояние называется вперед блокировка. Хотя это похоже на прямое смещение в обычном диоде, ток не течет.

Блокировка обратного хода

Предположим, мы поменяем местами соединения анод / катод. Теперь вы, вероятно, видите, что оба верхний и нижний диоды имеют обратное смещение, поэтому ток через тиристор по-прежнему не течет.Это называется обратной блокировкой (аналогично обратному смещению в простом диоде).

Прямая проводка

Третье состояние действительно интересно. Нам нужно, чтобы анод был положительный и отрицательный катод. Затем, когда ток течет в затвор, он включает нижний транзистор, который включает верхний, который включает нижний и так далее. Каждый транзистор активирует другой. Мы можем рассматривать это как своего рода внутреннюю положительную обратную связь, в которой два транзистора продолжают подавать ток друг другу. пока они оба не будут полностью активированы, после чего через них может течь ток. как от анода к катоду.Это состояние называется прямой проводимостью, и именно так тиристор «защелкивается» (остается постоянно) включенным. После фиксации тиристора на таком, вы не можете выключить его, просто сняв ток с вентиль: в этот момент ток затвора не имеет значения — и вы должны прервать основной ток, протекающий от анода к катод, часто отключая питание всей цепи. Не следите за этим? Посмотрите на анимацию в поле ниже, я надеюсь, вам будет понятно.

Типы тиристоров

Несколько упрощено, вот в чем суть того, как тиристор работает.Есть множество вариантов, в том числе устройства отключения ворот (GTO) (который может быть включен или выключен действием затвора), AGT (тиристор с анодным затвором) устройства, которые имеют затвор, идущий на внутренний слой n-типа около анода (вместо слоя p-типа около катода), фотоэлектрические тиристоры, в которых база активируется светом, и все другие виды. Но все они работают примерно одинаково, с затвором, отключающим один транзистор, который затем отключает другой.

Как работает тиристорная схема »Электроника

Существует множество схем тиристоров / тиристоров, которые могут управлять как постоянным, так и переменным током — часто в цепях управления переменным током используется разность фаз на затворе для управления уровнем протекающего тока.

---

Конструкция схемы тиристора Включает:
Праймер для разработки схемы тиристора Схема работы Конструкция цепи запуска / запуска Лом перенапряжения Цепи симистора

---

Тиристорные цепи SCR широко используются для управления мощностью как в системах постоянного, так и переменного тока. В схемах используется множество различных методов для управления потоком тока нагрузки, но все они требуют, чтобы затвор сработал и напряжение на аноде с катода было снято, чтобы остановить ток.Понимание того, как работает схема тиристора / тиристора, упрощает их проектирование.

Во многих схемах тиристоров переменного тока и тиристора используется переменная разность фаз сигнала, создаваемого на затворе, для управления частью формы волны, по которой проводит тиристор. Этот тип схемы относительно легко спроектировать и построить.

Тиристор постоянного тока / цепь SCR

Существует множество приложений, в которых цепь SCR требуется для управления работой нагрузки постоянного тока. Его можно использовать для двигателей постоянного тока, ламп или любой другой нагрузки, требующей переключения.

Базовая схема SCR, приведенная ниже, может управлять мощностью нагрузки с помощью небольшого переключателя, чтобы инициировать подачу питания на нагрузку.

Базовая схема тиристора постоянного тока / тиристора

Первоначально, когда S1 замкнут, а S2 разомкнут, ток не течет. Только когда S2 замкнут и запускает затвор, вызывая протекание тока затвора, схема SCR включается и ток течет в нагрузке.

Ток будет продолжать течь, пока не будет прервана анодная цепь. Это можно сделать с помощью S1.Альтернативный метод состоит в том, чтобы поместить переключатель S1 на тиристор, и, мгновенно замкнув его, напряжение на тиристоре исчезнет, ​​и тиристор перестанет проводить.

В результате их функций в этой схеме тринистора S1 может называться выключателем, а S2 — выключателем. В этой конфигурации S1 должен иметь возможность проводить ток полной нагрузки, в то время как S2 должен иметь возможность проводить ток затвора. Как только тиристор включен, переключатель можно отпустить и оставаться в разомкнутом состоянии, поскольку действие тиристора поддерживает ток, протекающий через устройство и, следовательно, через нагрузку.

Резистор R1 подключает затвор к питанию через переключатель. Когда переключатель S2 замкнут, ток проходит через резистор, попадает в затвор и включает тиристор. Резистор R1 должен быть рассчитан так, чтобы обеспечить достаточный ток затвора для включения цепи SCR.

R2 включен для снижения чувствительности SCR, чтобы он не срабатывал при возникновении любого шума, который может быть уловлен.

Базовая схема тиристора переменного тока / тиристора

Когда переменный ток используется с тиристорной схемой, необходимо внести несколько изменений, как показано ниже.

Причина этого заключается в том, что мощность переменного тока меняет полярность в течение цикла. Это означает, что SCR станет смещенным в обратном направлении, эффективно уменьшая анодное напряжение до нуля, вызывая его отключение в течение одной половины каждого цикла. В результате отпадает необходимость в выключателе, поскольку это достигается при использовании источника переменного тока.

Базовая схема тиристора переменного тока / тиристора

Работа схемы немного отличается от схемы тиристора постоянного тока.Когда переключатель включен, схема должна будет дождаться, пока не появится достаточное анодное напряжение, пока форма волны переменного тока продвигается вдоль своего пути. Кроме того, схеме SCR необходимо будет подождать, пока напряжение в секции затвора схемы не сможет обеспечить достаточный ток для запуска SCR. Для этого переключатель должен находиться в закрытом положении.

После срабатывания SCR остается в проводящем состоянии в течение положительной половины цикла. По мере падения напряжения наступит момент, когда напряжение на аноде и катоде будет недостаточным для поддержания проводимости.На этом этапе SCR перестанет проводить.

Тогда в течение отрицательной половины цикла SCR не будет работать. Только когда вернется следующая положительная половина цикла, процесс повторится.

В результате эта схема будет работать только тогда, когда переключатель затвора находится в закрытом положении.

Одна из проблем с использованием схемы SCR такого рода заключается в том, что она не может подавать более 50% мощности на нагрузку, потому что она не проводит ток в течение отрицательной половины цикла переменного тока, потому что SCR смещен в обратном направлении.

Схема SCR переменного тока с контролем фазы затвора

Можно контролировать количество энергии, достигающей нагрузки, изменяя долю полупериода, в течение которого проводит SCR. Это может быть достигнуто с помощью схемы SCR, которая включает управление фазой входного стробирующего сигнала.

Формы сигналов тиристорной цепи переменного тока

Используя схему SCR с управлением фазой, можно увидеть, что сигнал затвора SCR получается из RC-цепи, состоящей из R1, VR1 и C1 перед диодом D1.

Как и в случае с базовой схемой тиристора переменного тока, интерес представляет только положительный полупериод сигнала, поскольку тиристор смещен в прямом направлении. В течение этого полупериода конденсатор C1 заряжается через цепь резисторов, состоящую из R1 и VR1, от напряжения питания переменного тока. Видно, что форма волны на положительном конце C1 отстает от формы входной волны, и затвор срабатывает только тогда, когда напряжение на верхнем конце конденсатора поднимается достаточно, чтобы запустить SCR через D1. В результате точка включения SCR задерживается по сравнению с той, которая обычно имела бы место, если бы RC-сеть отсутствовала.Установка значения VR1 изменяет задержку и, следовательно, пропорцию цикла, в которой работает SCR. Таким образом можно регулировать мощность нагрузки.

Схема тиристора переменного тока с управлением фазой затвора

Включен последовательный резистор R1, чтобы ограничить минимальное значение для цепи резисторов значением, которое обеспечит приемлемый уровень тока затвора для SCR.

Обычно, чтобы обеспечить полный контроль над 50% цикла, доступного для проведения с помощью SCR, фазовый угол сигнала затвора должен изменяться от 0 ° до 180 °.

Эти схемы дают некоторые из основных концепций, лежащих в основе проектирования схем тиристоров / тиристоров. Они демонстрируют основные операции того, как они работают и как их можно использовать.

Одна из основных проблем, о которых следует помнить при проектировании тиристорных схем, — это рассеиваемая мощность. Поскольку эти схемы часто работают с высоким напряжением и высокими уровнями мощности, рассеяние мощности может быть основным фактором при проектировании и работе схемы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Дискретные тиристоры Power Semiconductors — Littelfuse

Тиристорные ограничители напряжения

для защиты цепей

A Тиристор — это любой полупроводниковый переключатель с бистабильным действием, зависящим от регенеративной обратной связи p-n-p-n. Тиристоры обычно представляют собой двух- или трехконтактные устройства для однонаправленных или двунаправленных схем.

Тиристоры могут иметь разные формы, но все они имеют определенные общие черты:

• Это твердотельные переключатели с нормально разомкнутыми цепями (очень высокий импеданс).
• Они способны выдерживать номинальное напряжение блокировки / выключенного состояния до момента срабатывания триггера во включенном состоянии.
• При переключении во включенное состояние они становятся цепью тока с низким импедансом до тех пор, пока основной ток не остановится или не упадет ниже минимального уровня удержания.
• После того, как тиристор переведен в рабочее состояние, ток триггера может быть отключен без выключения устройства.

Тиристоры используются для управления прохождением электрических токов в приложениях, включая:

• Бытовая техника — освещение, отопление, контроль температуры, активация сигнализации, скорость вентилятора
• Электроинструменты — для контролируемых действий, таких как скорость двигателя, событие сшивания, зарядка аккумулятора
• Наружное оборудование — разбрызгиватели воды, зажигание от газового двигателя, электронные дисплеи, освещение площадей, спортивный инвентарь, физическая подготовка

Характеристики:

• Высокое напряжение и сила тока
• Защита от однонаправленных и двунаправленных переходных напряжений
• Автоматически срабатывает «выключено» на указанный период времени
• Соответствует RoHS
• Переходы, пассивированные стеклом
• Высокое напряжение до 1000 В
• Высокая устойчивость к скачкам напряжения до 950

Тиристор

Описание продукта

Чувствительные симисторы

Чувствительные затворные симисторы

Littelfuse представляют собой двунаправленные кремниевые переключатели переменного тока, которые обеспечивают гарантированные уровни тока срабатывания затвора в квадрантах I, II, III и IV.Взаимодействие с микропроцессорами или другим оборудованием с запуском затвора с одинарной полярностью стало возможным с помощью чувствительных симисторов затвора. Могут быть указаны токи срабатывания затвора 3 мА, 5 мА, 10 мА или 20 мА.

Чувствительные затворные симисторы способны управлять токами нагрузки переменного тока от 0,8 А до 8 А (среднеквадратичное значение) и выдерживают рабочее напряжение от 400 В до 600 В.

Стандартные симисторы

Littelfuse — это двунаправленные переключатели переменного тока, способные управлять нагрузкой с нуля.От 8 до 35 А (среднеквадратичное значение) при IGT 10 мА, 25 мА и 50 мА в рабочих квадрантах I, II и III.

Симисторы

полезны в двухполупериодных приложениях переменного тока для управления мощностью переменного тока посредством переключения полного цикла или фазового управления током в нагрузочном элементе. Эти симисторы рассчитаны на блокировку напряжения в состоянии «ВЫКЛ» от 400 В минимум с некоторыми изделиями, способными работать на 1000 В. Типичные области применения включают управление скоростью двигателя, управление нагревателем и лампой накаливания.

Quadrac

Устройства

Quadrac, первоначально разработанные Littelfuse, представляют собой симисторы и альтернативные симисторы с триггером DIAC, установленным внутри одного корпуса.Эти устройства экономят пользователю расходы и время сборки на покупку дискретного DIAC и сборку вместе с симистором со стробированием.

Quadrac предлагается с номинальной мощностью от 4 до 15 А и напряжением от 400 до 600 В.

Симисторы переменного тока

Альтернативный симистор специально разработан для приложений, требующих переключения высокоиндуктивных нагрузок. Конструкция этого специального чипа фактически обеспечивает ту же производительность, что и два тиристора (SCR), подключенных обратно параллельно (спина к спине).

Эта новая конструкция микросхемы обеспечивает эквивалент двух электрически разделенных структур SCR, обеспечивая улучшенные характеристики du / dt, сохраняя при этом преимущества однокристального устройства.

Littelfuse производит альтернативный симистор от 6 А до 40 А с номинальным напряжением блокировки от 400 В до 1000 В. Альтернативные симисторы предлагаются в корпусах TO-220, TO-218 и TO-218X с изолированной и неизолированной версиями.

Чувствительные тиристоры

Чувствительные затворные тиристоры

Littelfuse — это выпрямители с кремниевым управлением, представляющие лучшие по конструкции, характеристикам и технологиям упаковки для приложений с низким и средним током.

Анодные токи от 0,8 А до 10 А (среднеквадратичное значение) могут контролироваться чувствительными тиристорами затвора с токами возбуждения затвора в диапазоне от 12 мкА до 500 мкА. Чувствительные тиристоры затвора идеально подходят для взаимодействия с интегральными схемами или в приложениях, где существуют требования к высокой токовой нагрузке и ограниченные возможности управления током затвора. Примеры включают цепи зажигания, средства управления двигателем и фиксацию постоянного тока для сигналов тревоги в детекторах дыма. Доступны тиристоры с чувствительным затвором с номинальным напряжением до 600 В.

SCR

Продукты

Littelfuse SCR — это полуволновые выпрямители с кремниевым управлением, которые представляют собой новейшие разработки в области дизайна и производительности.

Допустимый ток нагрузки составляет от 1 А до 70 А (среднеквадратичное значение), а напряжение от 400 В до 1000 В может быть задано для удовлетворения различных потребностей приложений.

Благодаря возможности однонаправленного переключения, тиристор используется в цепях, где требуются высокие импульсные токи или блокирующее действие. Его также можно использовать для цепей полуволнового типа, где требуется действие выпрямления, управляемое затвором. Применения включают ломы в источниках питания, вспышках камер, дымовых пожарных извещателях, средствах управления двигателем, зарядных устройствах и зажигании двигателя.

Доступны номинальные значения импульсного тока от 30 А в упаковке TO-92 до 950 А в упаковке TO-218X.

Выпрямители

Littelfuse производит выпрямители от 15 A до 25 A (среднеквадратичное значение) с номинальным напряжением от 400 В до 1000 В. Благодаря электрически изолированному корпусу TO-220 эти выпрямители могут использоваться в схемах с общим анодом или общим катодом, используя только один тип элемента, что упрощает потребности в запасах.

DIAC

DIAC — это триггерные устройства, используемые в схемах управления фазой для подачи стробирующих импульсов на симистор или тиристор.Это двунаправленные кремниевые устройства, запускаемые напряжением, размещенные в стеклянных корпусах с аксиальными выводами DO-35 и корпусах DO-214 для поверхностного монтажа.

Выбор напряжения DIAC от 27 В до 70 В обеспечивает синхронизацию импульсов запуска в положительной и отрицательной точках переключения для минимизации постоянной составляющей в цепи нагрузки.

Некоторые приложения включают триггеры затвора для управления освещением, диммеры, силовые импульсные цепи, опорные напряжения в силовых цепях переменного тока и триггеры симистора в регуляторах скорости двигателя.

SIDAC

SIDAC представляют собой уникальный набор тиристорных качеств. SIDAC — это двунаправленный переключатель, срабатывающий по напряжению. Некоторые характеристики этого устройства включают нормальную точку переключения от 95 В до 330 В, диапазон отрицательного сопротивления, характеристики фиксации при включении и низкое падение напряжения в открытом состоянии.

Возможность одноциклового импульсного тока до 20 А делает SIDAC идеальным продуктом для сброса заряженных конденсаторов через катушку индуктивности с целью генерации импульсов высокого напряжения.Приложения включают управление освещением, пускатели натриевых ламп высокого давления, генераторы мощности и источники питания высокого напряжения.

Тиристорный регулятор для систем обогрева переменного тока

Требования к управлению системами обогрева переменного тока

Простые системы электропитания переменного тока широко используются в промышленных системах отопления. Чтобы обеспечить должным образом регулируемую температуру для рассматриваемого процесса, подача энергии на нагревательный элемент должна включаться и выключаться для поддержания заданного уровня температуры, минимизируя пики и провалы.На самом базовом уровне это означает включение и отключение силовой цепи, но контролируемым образом. Это может быть выполнено механически, с помощью переключателя с ручным управлением, электромеханически с помощью контакторов или электронным способом с помощью тиристоров.

Переключение контакторов

Механические контакторы замыкаются для замыкания цепи при подаче управляющего напряжения и размыкаются при снятии управляющего напряжения. Это относительно недорогое решение, но оно имеет некоторые недостатки. Механический износ контактов дает устройству ограниченный срок службы с точки зрения количества операций, а частота переключений ограничивается механическим временем срабатывания.Механическое переключение происходит медленно, а это означает, что может пострадать контроль температуры, что приведет к более широким колебаниям между циклами включения и выключения. Это означает, что контакторы не идеально подходят для приложений, требующих частых операций переключения для точного контроля температуры. Этот тип переключения также может создавать радиочастотные помехи (RFI), которые вызывают шум в линии и могут повлиять на другое оборудование.

Описание тиристоров

Тиристор — это полупроводниковое устройство, которое можно использовать для включения и выключения тока.Связанный с диодом, который пропускает ток только в одном направлении, тиристор вообще не будет пропускать ток, если на соединение GATE устройства не будет подан управляющий сигнал. Он продолжает пропускать ток до тех пор, пока не будет снят сигнал управления. Поскольку переменный ток имеет положительные и отрицательные стороны, в полном цикле ток распространяется в обоих направлениях. Один тиристор будет пропускать ток только в прямом направлении:

Рис. 1. Одиночный тиристор и соответствующая форма волны переменного тока (2 цикла)

Для управления током в обоих направлениях используются два тиристора в обратно-параллельной конфигурации.

Рис. 2. Обратно-параллельная конфигурация и связанная с ней форма волны переменного тока (2 цикла)

Управляющие сигналы, подаваемые на GATE, или «запускающие» сигналы, синхронизируются для включения и выключения питания для обеспечения необходимой мощности. время контролировать температуру. Поскольку тиристоры переключаются электронным образом, нет движущихся частей, которые будут подвержены износу, а частота переключения может быть намного выше. Эта последняя характеристика позволяет гораздо более точно контролировать мощность, подаваемую на нагревательные системы, что приводит к меньшим колебаниям температуры.

Конфигурации тиристорного управления мощностью

Одно- или трехфазные

Системы с низким энергопотреблением могут работать от однофазного источника переменного тока. Для этого потребуется одна обратно-параллельная пара тиристоров для переключения тока и управления выходом на нагреватель. Трехфазные источники питания для приложений с более высокой мощностью могут управляться двумя или тремя парами с обратной параллелью, в зависимости от конфигурации системы и используемых методов управления зажиганием.

Методы управления розжигом

Режимы розжига обычно определяются типом нагрузки (резистивной или индуктивной) и точностью требуемого контроля температуры.В индуктивных нагрузках используется фазовый сдвиг, который очень точен и может обеспечить плавный пуск, но для защиты любого чувствительного оборудования поблизости может потребоваться экранирование от радиопомех. Альтернативой контролю фазового угла является срабатывание кроссовера с нулевым переходом, которое можно использовать для резистивных нагрузок, где это необходимо, и которое не генерирует радиопомех. Сложность и стоимость схемы управления возрастают по мере того, как требования к энергосистеме возрастают от однофазного к многофазному и от перехода через нулевой уровень к более точному срабатыванию по углу фазы.

Тиристоры и контакторы

Использование тиристоров в режиме перехода через нуль вместо механических контакторов для резистивных нагрузок приводит к снижению затрат на техническое обслуживание, сокращению времени цикла и более точному управлению с повышенной температурной стабильностью.

Собираем все вместе — сборки тиристорных контроллеров

Для простых приложений HVAC Power Products предлагает стандартный ассортимент контроллеров мощностью от 1,5 кВт до 150 кВт. Там, где требуется более высокая мощность или для специализированных конфигураций с низким энергопотреблением, мы предлагаем широкий спектр масштабируемых одно- и трехфазных сборок, сочетающих тиристорные схемы, линейные предохранители, защиту от скачков напряжения, охлаждающие вентиляторы и опции для встроенных или внешних схем управления.Если у вас есть потребность в стандартном или индивидуальном тиристорном управлении, свяжитесь с нами, чтобы обсудить, чем мы можем помочь.

См. Стандартные контроллеры тиристоров

Тиристоры, выпрямители с кремниевым управлением, модуль SCR

C&H Technology специализируется на сильноточных тиристорах с фазовой регулировкой и тиристорах с быстрым переключением. Типичные применения включают переключатели переменного тока, регуляторы затемнения, регулирование температуры для духовок, твердотельные реле, средства управления двигателями постоянного тока, сварку, плавный пуск приводов двигателей переменного тока и тяговые рынки.

Тиристоры также называют SCR (выпрямители с кремниевым управлением). Модуль SCR используется для управления и выпрямления тока только в одном направлении. Модуль SCR работает как механический переключатель: он либо включен, либо выключен. Когда на затвор SCR подается импульс тока / напряжения, он срабатывает и начинает проводить. SCR будет продолжать проводить, даже когда ток затвора полностью удален. Выпрямитель с кремниевым управлением выключится, когда ток нагрузки упадет ниже нуля.

Тиристоры с фазовым управлением (выпрямители с кремниевым управлением)

• Ток: от 16А до 4150А
• Напряжение: от 200 В до 5000 В
• Пакеты шпилек: компрессия и пайка
• Пакеты Hockey Puk: от 19 мм до 100 мм
• Пакеты модулей SCR: T-Module, Add-A-Pak, Int-A-Pak, Magn-A-Pak, Super Magn-A-Pak
  • Ток: от 25А до 500А
  • Напряжение: от 200 В до 2000 В
  • Высокое напряжение изоляции (2500 В)
  • Соответствует RoHS, одобрено UL
  • Настраивается под конкретные нужды приложения
• Дискретные пакеты: D2, TO-220, TO-247, Full Pack,

Инвертор, класс

• Ток: от 110А до 1200А
• Напряжение: от 200 В до 2100 В
• сжатый шпилька
• Хоккейный Пук

Тиристорная матрица

• Инвертор с фазовым управлением и быстрым переключением
• Диапазон напряжения от 200 до 2000 вольт
• Wire Bondable от.